Meer kopernanodeeltjes dan sterren in het heelal – maar wat is hun optimale grootte?

Publicatie in Nature Communications

Beeld van een katalysator – verkregen met elektronenmicroscopie – waarin koperdeeltjes van 10 nanometer zichtbaar worden zoals sterren in het heelal.
Beeld van een katalysator – verkregen met elektronenmicroscopie – waarin koperdeeltjes van 10 nanometer zichtbaar worden zoals sterren in het heelal.

Koperdeeltjes met een grootte van enkele nanometers zijn een zeer waardevol ingrediënt in katalysatoren voor chemische processen. Daarvoor zijn er enorme aantallen van deze kopernanodeeltjes nodig, meer dan het aantal sterren in het heelal. Het is dus belangrijk om zo efficiënt mogelijk om te gaan met de grondstoffen, en de vraag is dus: hoe groot moeten deze deeltjes exact zijn om optimaal te functioneren? Onderzoekers van de Universiteit Utrecht zijn er voor het eerst in geslaagd om hier experimenteel achter te komen. De resultaten verschijnen op 5 oktober in een publicatie in Nature Communications.

Er loopt al decennia lang een verwoede discussie over de optimale grootte van de kopernanodeeltjes. Deze discussie is zowel van theoretisch als van praktisch belang. Theoretische berekeningen hadden voorspeld dat de afmeting van  de deeltjes gevolg zou hebben voor de activiteit van koperkatalysatoren. Het was tot nu toe echter niet gelukt om experimenteel aan te tonen dat dit inderdaad het geval is onder industriële condities: hoge druk en hoge temperatuur. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de grootte van deeltjes van koper en koper-zink te variëren van 2 tot 10 nanometer en deze deeltjes te onderzoeken onder condities van 40 bar en 260 graden Celsius. Daaruit bleek dat voor deeltjes kleiner dan 8 nanometer de activiteit afneemt.

Hoeken, randen en vlakken

Roy van den Berg, de eerste auteur van de publicatie, is inmiddels gepromoveerd en werkzaam in Denemarken bij een van de grootste producenten van koperkatalysatoren. “Kleinere deeltjes zijn vaak actiever vanwege een relatief hoge dichtheid van hoeken en randen, maar dat blijkt hier dus niet het geval”, legt hij uit. ”Dat geeft aan dat het voor koperdeeltjes essentieel is om niet alleen hoeken en randen, maar ook vlakken te hebben.”

Methanolproductie

Prof. Krijn de Jong en prof. Petra de Jongh, begeleiders van Van den Berg, lichten toe: “Wetenschappelijk is dit resultaat inderdaad verrassend. We krijgen zo een dieper inzicht in de optimale structuur van de katalysator.” Onder andere de productie van methanol, met een jaarlijkse wereldwijde productie van circa 65 miljoen ton – bijna tien kilo per wereldbewoner per jaar – maakt gebruik van deze kopernanodeeltjes. “De productie van methanol groeit enorm, onder andere om duurzamere routes voor het maken van bouwstenen voor de chemische industrie mogelijk te maken. Onze inzichten geven richting aan het ontwerp van de actieve en stabiele katalysatoren die daarvoor nodig zijn”, aldus de begeleiders.

Publicatie

Structure Sensitivity of Cu and CuZn Catalysts Relevant to Industrial Methanol Synthesis
Roy van den Berg*, Gonzalo Prieto*, Gerda Korpershoek*, Lars I. van der Wal*, Arnoldus J. van Bunningen*, Susanne Lægsgaard-Jørgensen, Petra E. de Jongh* & Krijn P. de Jong*
* verbonden aan de Universiteit Utrecht
DOI 10.1038/ncomms13057

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.