21 november 2017

Onderzoekers vergelijken ‘nieuwe’ en ‘verouderde’ versie van katalysator op nanoschaal

Minder dieseluitstoot dankzij een katalysator die ‘jong blijft’

Huidige dieselvoertuigen stoten veel minder verontreinigende stoffen uit dan oudere voertuigen, dankzij een nieuwe zeolietkatalysator die ongeveer tien jaar geleden is uitgevonden. Ondanks veel onderzoek was het tot op heden onduidelijk waarom deze katalysator zoveel effectiever is. Door op 3D-nanoresolutie binnen in de katalysator te kijken, zijn onderzoekers van de Universiteit Utrecht en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in de VS erin geslaagd om de effectiviteit van de katalysator te verklaren. Na een gesimuleerd verouderingsproces van 217.000 km vergeleken de onderzoekers de ‘nieuwe’ en ‘verouderde’ versie van de katalysator in detail. Hieruit bleek dat de katalysator veel meer van zijn ‘jonge’ structuur behoudt dan eerder gebruikte dieselkatalysatoren. De onderzoekers konden ook verklaren waarom deze katalysator zoveel stabieler is en slechts minimale schade ondervindt tijdens zijn levensduur. De resultaten verschijnen vandaag in Nature Communications.

Dieselkatalysatoren moeten de hele levensduur van het voertuig stabiel blijven, ondanks frequente verschillen in temperatuur, zeer hete stoom en schadelijke stoffen. Die stabiliteit heeft veel te maken met de complexiteit van de katalysator. “Op het eerste gezicht lijken zeolieten makkelijk te begrijpen, maar hoe meer je ze onderzoekt, hoe meer je gefascineerd geraakt door hun complexiteit”, zegt Joel Schmidt (Universiteit Utrecht), hoofd-auteur van de publicatie.

Die complexiteit zorgt ervoor dat zeolietkatalysatoren zo goed werken, maar maakt ze ook bijzonder moeilijk te begrijpen.
Joel Schmidt

Verouderingsproces van 217.000 km

Schmidt en zijn collega’s zijn erin geslaagd om de complexiteit van de zeolietkatalysator te analyseren met een unieke en krachtige karakteriseringsmethode genaamd atom probe-tomografie. Hiermee konden ze alle relevante chemische elementen van de katalysator op 3D-nanoschaal visualiseren, voor en na een gesimuleerd verouderingsproces equivalent aan 217.000 km rijden.

‘Jongere’ structuur

De onderzoekers ontdekten dat de katalysator na dit verouderingsproces veel meer van zijn ‘jonge’ structuur behoudt dan eerder gebruikte dieselkatalysatoren. Ze ontdekten ook dat dit komt doordat de structurele eigenschappen van de katalysator voorkómen dat er een deactiverende koper-aluminium oxidefase ontstaat. Daardoor blijft de optimale nanoschaal-distributie van elementen in de katalysator – die voor het schone verbrandingsproces zorgen – intact.

Met onze werkwijze zijn we erin geslaagd om een stukje toe te voegen aan de duurzaamheidspuzzel
prof. Bert Weckhuysen met zijn koninklijke onderscheiding

Schonere lucht

“Met onze werkwijze zijn we erin geslaagd om een stukje toe te voegen aan de puzzel van het ontwerpen van katalysatoren die bij het levenseinde van een voertuig nog net zo goed presteren als op de dag dat ze de fabriek uit rijden”, zegt professor Bert Weckhuysen, co-auteur van de publicatie. “Omdat zeolietkatalysatoren ook veel gebruikt worden in de chemische industrie, is fundamenteel inzicht in de migratie van chemische elementen tijdens katalytische processen erg belangrijk wanneer we meer duurzame chemische processen willen ontwikkelen.”

Nieuwe en verouderde katalysator

Reconstructies van verse en verouderde zeolieten. Links: de eerder gebruikte ZSM-5-katalysator, die aanzienlijk veroudert, consistent met de verminderde katalytische prestaties. Rechts: de nieuwere, robuustere SSZ-13-katalysator, die tijdens het ouder worden minimaal degradeert, met behoud van hoge katalytische prestaties.

Publicatie

Nanoscale Tomography Reveals the Deactivation of Automotive Copper-exchanged Zeolite Catalysts
Joel E. Schmidt*, Ramon Oord*, Wei Guo, Jonathan D. Poplawsky en Bert M. Weckhuysen*
* verbonden aan Universiteit Utrecht
Nature Communications 8, Article number: 1666 (2017), doi:10.1038/s41467-017-01765-0