Fluorescente ‘blaastest’ maakt optimalisatie katalysatoren een stuk eenvoudiger

Een blaastest in plaats van een bloedanalyse. Zo veel eenvoudiger is de test die scheikundigen van de Universiteit Utrecht hebben bedacht voor industriële katalysatoren. Hierbij laten fluorescerende moleculen letterlijk zien of katalysator 1, 2 of 3 beter werkt. Dat maakt het eenvoudiger om katalysatoren verder te verbeteren, waardoor productieprocessen in de chemische industrie steeds duurzamer kunnen worden. De onderzoekers, onder leiding van prof. Bert Weckhuysen, publiceren hun resultaten in Nature Chemistry van 5 november.

Voor hun onderzoek keken de Utrechtse scheikundigen naar de duurzame productie van methanol, een bouwsteen voor onder meer plastics. Duurzame methanol kan gemaakt worden vanuit CO₂ en waterstofgas geproduceerd met wind-of zonne-energie, of vanuit afval. De katalysator is nodig om te zorgen dat de reactie bij een gunstige temperatuur en druk zo veel mogelijk methanol en zo min mogelijk bijproducten oplevert. Daarbij speelt niet alleen de samenstelling en porositeit, maar ook de vorm van de katalysator een grote rol.

Pastavormpjes

“Wetenschappers bestuderen zo’n katalysator als poeder, maar in de chemische fabriek worden pastavormpjes gebruikt. Daarom wilden wij een methode vinden om de katalysator in pastavormpjes in detail te bestuderen”, vertelt Bert Weckhuysen, universiteitshoogleraar Katalyse, Energie en Duurzaamheid aan de Universiteit Utrecht. In het lab kwam een ‘pastamachine’, waarmee katalysatoren in allerlei verschillende vormpjes gemaakt kunnen worden.

Ik vind het belangrijk om de geavanceerde wetenschap te verbinden met de dagelijkse praktijk. Alleen dan kunnen we daadwerkelijk vooruitgang boeken als het bijvoorbeeld gaat om een meer duurzame productie van materialen en energie.

Inspiratie bij Biologie

De inspiratie voor het onderzoeken van het effect van die verschillende vormen ontleende hij aan zijn collega’s bij Biologie. Zij onderzoeken cellen door onderdelen daarvan ‘in te kleuren’ met fluorescerende moleculen. Onder een fluorescentiemicroscoop is dan heel duidelijk te zien waar deze onderdelen zich bevinden en hoe ze zich bewegen in de cel. Weckhuysen en collega’s doen nu hetzelfde door fluorescerende moleculen de katalysator in te sturen en het resultaat daarvan onder de fluorescentiemicroscoop te leggen.

In één oogopslag

“Je ziet dan in één oogopslag wat het effect is van een andere vorm van het katalysatordeeltje of van een net iets andere samenstelling van de katalysatormix”, laat Dr. Gareth Whiting, eerste auteur van de publicatie zien. Whiting maakte een hele serie katalysatoren die verschilden in vorm, samenstelling en dikte. Vervolgens testte hij hoe goed ze functioneerden in de omzetting naar methanol, waarbij hij fluorescente moleculen gebruikte. Onder de microscoop is dan te zien hoe goed deze moleculen in het katalysatordeeltje de plekken kunnen bereiken waar de chemische reactie moet plaatsvinden. Daarnaast blijkt uit de methanol-opbrengst hoe effectief het katalysatordeeltje is.

Verrassend goed

“Deze uitkomsten konden wij ook verrassend goed verklaren en voorspellen op basis van wetenschappelijke modellen”, vertelt Whiting. “Daarmee hebben we aangetoond dat onze onderzoeksmethode heel robuust is. Producenten en gebruikers van katalysatoren hebben dus een nieuwe, snelle en gemakkelijke manier om te zien of veranderingen in het recept of de vorm van de katalysator positief of negatief uitpakken.”

Andere invalshoek

Het lab van Bert Weckhuysen staat bekend om de uiterst geavanceerde technieken die er ontwikkeld worden om naar katalysatoren te kijken tijdens een chemische reactie. “Maar ik vind het belangrijk om de geavanceerde wetenschap te verbinden met de dagelijkse praktijk”, vertelt Weckhuysen. “Alleen dan kunnen we daadwerkelijk vooruitgang boeken als het bijvoorbeeld gaat om een meer duurzame productie van materialen en energie. Bovendien is het ontzettend leuk om eens vanuit een hele andere invalshoek aan de slag te gaan.”

Publicatie

Visualising pore architecture and molecular transport boundaries in catalyst bodies with fluorescent nanoprobes
Gareth T. Whiting*, Nikolaos Nikolopoulos, Ioannis Nikolopoulos, Abhishek Dutta Chowdhury, Bert M. Weckhuysen*
Nature Chemistry, 5 november 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0163-z
Alle auteurs zijn verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is medegefinancierd door NWO.

Meer onderzoek van de groep van Bert Weckhuysen

• 

  Optimale grootte en vorm van katalysatordeeltjes voor duurzame brandstof

  Detail-opnamen van de chemische reactie leveren belangrijke nieuwe inzichten in de benodigde katalysator voor een rendabel duurzaam ‘power-to-gas’-concept

• 

  Utrechtse scheikundigen bewijzen het gelijk van Nobelprijswinnaar Olah

  In onderzoek naar een ‘groene’ route voor het maken van het veel gebruikte plastic polystyreen, bevestigden de Utrechtse onderzoekers het (betwiste) gelijk van Nobelprijswinnaar George Olah. Ook hierin speelde een onderzoeksmethode uit de moleculaire Life Sciences een belangrijke rol.

• 

  Minder dieseluitstoot omdat de katalysator ‘jong blijft’

  Bert Weckhuysen c.s. ontdekten na tien jaar het geheim van de huidige, veel schonere Diesel-auto's, dankzij een geavanceerde techniek om driedimensionaal op nanoschaal binnen de katalysator te kijken.

• 

  Eerste gedetailleerde wegenkaart van één katalysatordeeltje

  Utrechtse onderzoekers en collega's van Stanford wisten met een nieuwe techniek een gedetailleerde wegenkaart van één katalysatordeeltje te maken. 

• 

  Katalysator sterft als een 'rottende appel'

  Katalysatordeeltjes die goedkope, ruwe aardolie omzetten in benzine, gaan op dezelfde manier ‘dood’ als dat een appel rot, ontdekten de onderzoekers door dit proces driedimensionaal tot op de nanometer schaal in beeld te brengen.