Metaal-nanodeeltjes als katalysatoren voor snellere en efficiëntere CO2-conversie

Publicatie in Nature Catalysis

29 januari 2018

Nano-architectuur: nikkeldeeltjes zo klein als één veertigduizendste van een menselijke haar zijn de beste katalysatoren voor CO2-omzetting

CO₂ kan met behulp van duurzaam waterstof - opgewekt met elektriciteit afkomstig van bijvoorbeeld windmolens of zonnecellen – omgezet worden in een gasvormige brandstof. Dit zogenaamde ‘power-to-gas’-concept lost twee problemen tegelijk op: het verlaagt de CO₂-uitstoot én creëert flexibelere toepassingsmogelijkheden voor duurzame energie. Voor een rendabele omzetting van CO₂ is wel een heel goede katalysator nodig. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en collega’s zijn er nu in geslaagd de omzetting in detail in beeld te brengen en te bepalen wat de perfecte grootte is voor de katalytische nikkel-nanodeeltjes. Hun resultaten zijn maandag 29 januari gepubliceerd in Nature Catalysis.

Hoofdauteur Charlotte Vogt legt uit: “Als je metaal-nanodeeltjes kleiner en kleiner maakt, gaan ze heel andere eigenschappen vertonen dan je verwacht op basis van klassieke wetten in de natuur- en scheikunde.” Samen met onder meer collega’s Florian Meirer en Bert Weckhuysen van de Universiteit Utrecht en onderzoekers van chemisch bedrijf BASF, concludeerde Vogt dat de nikkeldeeltjes de hoogste katalytische activiteit vertonen bij een grootte van 2,5 nanometer, ongeveer 40.000 keer kleiner dan een menselijke haar. De onderzoekers ontdekten ook dat een specifieke architectuur van deze kleine nikkeldeeltjes de activatie van CO₂vergemakkelijkt.

Ultrasnel meetinstrument

Om te begrijpen hoe de nikkel-nanodeeltjes zich gedragen tijdens de omzetting van CO₂, bestudeerden de onderzoekers de katalysatoren in actie. Daarvoor werd samen met wetenschappers van de Swiss Light Source deeltjesversneller een ultrasnel meetinstrument ontwikkeld. Hiermee slaagden de onderzoekers erin om heel gedetailleerd het mechanisme van de CO₂-omzetting in beeld te brengen. Zo ontdekten ze dat zowel formiaat als geadsorbeerd koolmonoxide belangrijke tussenproducten in de reactie zijn.

Het resultaat van deze samenwerking is een beter inzicht in hoe deze vaste katalysatoren werken, wat ons in staat stelt om het ware potentieel van kleine metalen nanodeeltjes voor CO2 katalyse te ontsluiten

Bert Weckhuysen

Fundamenteel begrip

Het onderzoek was een nauwe samenwerking tussen onderzoekers van BASF, de Universiteit Utrecht, de Amerikaanse Lehigh University en de deeltjesversnellerfaciliteiten van het Zwitserse Paul Scherrer Institute. “Het resultaat van deze samenwerking is een beter inzicht in hoe deze vaste katalysatoren werken, wat ons in staat stelt om het ware potentieel van kleine metalen nanodeeltjes voor CO₂-katalyse te ontsluiten”, aldus Bert Weckhuysen, hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse aan de Universiteit Utrecht.

Publicatie

'Unraveling Structure Sensitivity in CO₂Hydrogenation over Nickel'
Nature Catalysis, 29 januari, DOI 10.1038/s41929-017-0016-y
Charlotte Vogt*, Esther Groeneveld, Gerda Kamsma, Maarten Nachtegaal, Li Lu, Christopher J. Kiely, Peter H. Berben, Florian Meirer*, Bert M. Weckhuysen*
* Verbonden aan de Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is mede-gefinancierd door een TA-CHIPP grant van NWO en BASF en door het Zwaartekrachtprogramma Netherlands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC).

Pathways to Sustainability

Dit onderzoek maakt deel uit van het interdisciplinaire onderzoeksprogramma ‘Pathways to Sustainability’ van de Universiteit Utrecht, en in het bijzonder van 'Deep Decarbonisation of the Energy System'.