30 augustus 2016

Publicatie Meirer en Weckhuysen in Nature Communications

Hoe ziet een verstopt wegennetwerk in een katalysatordeeltje eruit?

Elk katalysatordeeltje bevat een soort ‘wegennetwerk’, waardoor moleculen naar de actieve plaatsen in de katalysator reizen. Dit wegennetwerk kan echter verstopt raken door metalen, wat de actieve plaatsen onbereikbaar kan maken. Een onderzoeksteam van de Universiteit Utrecht en Stanford is erin geslaagd om met een nieuwe meetmethodiek een gedetailleerde wegenkaart van één katalysatordeeltje te maken. Met die kennis is het mogelijk om betere katalysatoren te ontwerpen voor bestaande of nieuwe chemische productieprocessen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 30 augustus 2016 in het open-access journal Nature Communications.

Het grote aantal porie-kanalen in een katalysatordeeltje maakt het erg lastig om te bestuderen hoe deze poriën verstopt raken door metalen. Dr. Florian Meirer (Universiteit Utrecht) legt uit: “Er zit rond de 1,3 meter porie-kanalen in een katalysatordeeltje dat zelf ongeveer half zo breed is als een menselijke haar. Ter vergelijking: als het katalysatordeeltje even groot was als een gemiddelde appel, zouden de porie-kanalen in totaal ongeveer twee kilometer lang zijn.”

Catalysis - Combined Wireball Resistance
Een katalysatordeeltje opgebouwd uit kanalen, die te beschouwen zijn als electriciteitsdraden met verschillende weerstanden. Kanalen met weinig weerstand laten moleculen gemakkelijker door richting de actieve plaats, dan kanalen met een hoge weerstand.

Elektrische weerstanden

Omdat deze kanalen sterk gevouwen in het katalysatordeeltje zitten, kruisen ze elkaar wel honderdduizenden keren. “Een molecuul kan dus miljarden verschillende routes nemen”, legt Meirer uit. “Er zijn heel veel wegen naar Rome, ook in een katalysatordeeltje. Het berekenen daarvan zou een computer maanden kosten.” Hij ontwikkelde samen met onderzoekers van de Universiteiten van Utrecht en Stanford een methode om het poriënnetwerk experimenteel te meten en daarna te modelleren als een netwerk van elektrische weerstanden. Dat maakt het berekenen van deze mogelijke routes veel makkelijker. Daarnaast maakt deze methode het mogelijk om de toegankelijkheid van de meest actieve gebieden van het katalysatordeeltje te berekenen.

Catalysis - Combined Wireball Resistance
De hogere of lagere weerstand om van punt A naar punt B te gaan hangt samen met de aard en hoeveelheid van de onzuiverheden, zoals ijzer (Fe), nikkel (Ni), calcium (Ca) en vanadium (V).

Wegblokkades simuleren

“Het is erg lastig om te meten bij welke metaalconcentratie een porie compleet verstopt zit”, vertelt Meirer. “Maar we kunnen die blokkades nu simuleren en kijken hoe ze het transport door de katalysator beïnvloeden.” Het onderzoeksteam ontdekte dat een katalysatordeeltje met veel blokkades nog steeds werkzaam kan zijn, omdat er zoveel verschillende routes mogelijk zijn in het wegennetwerk van de katalysator.  Maar als er té veel wegen geblokkeerd zijn, kan er geen molecuul meer door en is het dus onmogelijk om de actieve plaatsen binnen het katalysatordeeltje te bereiken.

Methode om een wegenkaart van één katalysatordeeltje te maken, inclusief het bepalen van de posities van de wegblokkades en het simuleren van het transport van een molecuul door het wegennetwerk dat al dan niet verstopt is door onzuiverheden.

Duurzamere productieprocessen

“Onze bevindingen zijn zeer waardevol voor een beter begrip van de chemische processen die plaatsvinden binnen een katalysator”, aldus prof.dr.ir. Bert Weckhuysen, co-auteur van de publicatie. “Uiteindelijk zal dat leiden tot katalysatoren met een minder filegevoelig netwerk, en dus duurzamere chemische processen op basis van nieuwe of verbeterde katalysatoren. Daarnaast is de ontwikkelde methode – te vergelijken met een navigatiesysteem niet voor auto’s, maar voor moleculen – ook toe te passen bij het onderzoeken van veranderingen in poriënnetwerken van functionele materialen, zoals batterijen en brandstofcellen.”

Publicatie

Relating Struture and Composition with Accessibiity of a Single Catalyst Particle using Correlative 3-Dimensional Micro-Spectroscopy
Yijin Liu, Florian Meirer*, Courtney M. Krest, Samuel Webb & Bert M. Weckhuysen*
Nature Communications, 30 augustus 2016, DOI 10.1038/ncomms12634

* verbonden aan de Universiteit Utrecht

Contact

Nieske Vergunst, persvoorlichter Faculteit Bètawetenschappen, N.L.Vergunst@uu.nl, 06 2490 2801. B.g.g. perscommunicatie Universiteit Utrecht, news@uu.nl, (030) 253 3550.

Sustainability Universiteit Utrecht

Door haar expertise op het gebied van Sustainability te bundelen, ontwikkelt de Universiteit Utrecht integrale oplossingen voor duurzaamheidsvraagstukken en draagt zij bij aan een betere toekomst voor volgende generaties. Dit thema verbindt het excellente Utrechtse duurzaamheidsonderzoek uit de alfa-, bèta- en gammawetenschappen. De focus ligt op water, energie en een gezonde leefomgeving. Sustainability is een van de vier strategische onderzoeksthema’s van de Universiteit Utrecht.

Meer informatie over het onderzoeksthema Sustainability