Katalysator ruimt CO2 beter op met andere voorbehandeling

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Bert Weckhuysen (Universiteit Utrecht) en Sara Bals (Universiteit Antwerpen) heeft aangetoond dat een veelbelovende katalysator voor het opruimen van CO₂ aanzienlijk actiever en selectiever wordt als de voorbehandeling ervan wordt aangepast. De wetenschappers maakten het mechanisme dat hieraan ten grondslag ligt met ongeëvenaarde precisie zichtbaar. De resultaten van het onderzoek verschenen op 11 mei in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Science. Eerste auteurs van de studie zijn Matteo Monai, Kellie Jenkinson en Angela Melcherts.

Koolstofdioxide opruimen of omzetten in iets bruikbaars wordt steeds vaker gedaan, bijvoorbeeld in de energie- en transportsector, waar enorme hoeveelheden van het broeikasgas worden uitgestoten. Om zo’n opruimproces goed en snel te laten verlopen, is een katalysator nodig. In het geval van CO₂-hydrogenering, een veelgebruikte chemische reactie om CO₂ op te ruimen, is dat een nikkel-ondersteunende titaniumdioxide-katalysator.

Betere katalysator

In deze studie tonen de wetenschappers aan dat de werking van deze katalysator sterk afhankelijk is van de temperatuur waarmee deze wordt bereid. De selectiviteit en de activiteit van de katalysator waren veel beter tijdens CO₂-hydrogenering bij een voorbehandelingstemperatuur van 600 graden Celsius dan bij 400 graden Celsius. Een betere selectiviteit is wenselijk omdat de katalysator minder ongewenste bijproducten levert. Een betere activiteit zorgt voor een sneller verloop van de katalytische reactie. De onderzoekers verwachten dat dit principe ook geldt voor katalysatoren met andere metaaloxiden dan titaniumoxide.

Tijdens het proces zie je de titaniumatomen als laagjes op het nikkel kruipen en er weer vanaf gaan

Kruipende laagjes

Het team van wetenschappers maakte de werking van het ontdekte principe zichtbaar met geavanceerde elektronenmicroscopie. Dat deden ze met ongeëvenaarde precisie: op atoomniveau. Ze brachten een speciale nanoreactor, waarin het katalytische proces plaatsvond, aan in de microscoop en konden zo precies zien wat er gebeurde met de katalysator. “Tijdens het proces zie je de titaniumatomen als laagjes op het nikkel kruipen en er weer vanaf gaan”, beschrijft Bert Weckhuysen. “Bij een hoge voorbehandelingstemperatuur bleven er titaniumatomen achter op het nikkel. Bij een lage temperatuur verdwenen de laagjes titaniumatomen volledig.”

Tekst gaat verder onder de video.

Oud concept

Dat twee chemische elementen, zoals nikkel en titanium, met elkaar interacteren en een katalysator vormen, is een oud concept dat bekend staat onder de naam strong metal support interaction (SMSI). Deze studie maakt voor het eerst zichtbaar wat er daadwerkelijk op atoomniveau gebeurt. De schuivende laagjes titanium zijn nooit eerder gezien. “De nieuwe techniek heeft het mogelijk gemaakt dat we dit met eigen ogen kunnen waarnemen”, aldus Weckhuysen. “Met bovendien een heel hoge resolutie. We kunnen de titaniumatomen op het nikkel tellen!”

Grote puzzel

Het internationale onderzoeksteam dat aan de studie werkte, is zeer interdisciplinair. Volgens Sara Bals is dit van doorslaggevend belang geweest voor het behalen van de resultaten. “We gebruikten elektronenmicroscopietechnieken die over het algemeen moeilijk te combineren zijn met experimenten in een nanoreactor”, zegt ze. “Onderzoekers met verschillende achtergronden en toegang tot diverse geavanceerde technieken hebben elk kleine stukjes van een grotere puzzel gelegd. Uiteindelijk hebben die samen geleid tot het complete beeld.”