Betere blik op synthetische brandstofproductie
Synthetische brandstof is schoner dan natuurlijke olie, maar het productieproces is nog niet efficiënt genoeg. Nu hebben wetenschappers voor het eerst direct de moleculen waargenomen die uit het chemische proces ontstaan. Het opent de deur richting efficiënte ‘designer’ katalysatoren. Publicatie op 19 september in Nature Chemistry.
Momenteel is natuurlijke olie nog steeds de primaire bron van brandstof, hoewel er een veel schoner alternatief bestaat in de vorm van synthetische brandstof. Dit bevat een stuk minder zwavel en heeft geen olie nodig als startpunt. Slechts vijf procent van de wereldproductie van diesel benut dit proces, omdat het goedkoper is om de meer vervuilende olie te gebruiken. Als onderzoekers een beter begrip hebben van het productieproces van synthetische brandstof, zou de balans de andere kant op kunnen slaan.
Waarneming
Nu hebben Leidse natuurkundigen voor het eerst gezien hoe het vroegste stadium van dit chemische proces zich ontvouwt. Het was al bekend dat de benodigde chemische reactie tussen koolstofmonoxide en waterstof plaatsvindt op het oppervlak van kleine kobaltdeeltjes. Deze dienen als katalysator voor de reactie. Het is echter erg moeilijk om precies te identificeren welk mechanisme aan het werk is tijdens de experimenten. Onderzoekers krijgen te maken met een druk van meerdere atmosfeer en temperaturen van honderden graden Celsius—verre van ideaal om moleculen waar te nemen. Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelden groepsleider Joost Frenken en zijn team een speciaal soort Scanning Tunneling Microscope—de zogenoemde Reactor-STM.
Parkeerplaats
Tot hun verrassing zagen ze dat in de eerste fase van het proces het oppervlak zichzelf steeds verder bedekt met één enkele laag van koolwaterstofmoleculen in een streng geordend regelmatig patroon. De moleculen hopen zich op aan het kobaltoppervlak met allemaal dezelfde, onverwacht lange lengte. De Leidse onderzoekers verklaren deze bevindingen met een simpele theorie, waarin de katalysator de moleculen stap voor stap opbouwt aan de atomaire treden van het kobaltoppervlak. De meeste moleculen besteden enige tijd op het oppervlak en verdampen dan, maar de langere versies hechten zich sterker en vullen het oppervlak. De meest efficiënte manier is om het oppervlak volgens een regelmatig patroon te vullen, zoals auto’s op een parkeerplaats.
Design
Op dit moment worden katalysatoren voornamelijk ontwikkeld via trial-and-error. Met de nieuwe ontdekking openen eerste auteur Violeta Navarro en haar collega’s de deur voor toekomstige generaties van ‘designer’ katalysatoren, met optimale efficiëntie en op maat gemaakt voor het gewenste product. Frenken: ‘Het ultieme doel is om echte “designer katalysatoren” te ontwikkelen. We zijn er nog lang niet, maar het begrijpen van de eerste fase van synthetische brandstofproductie vormt een essentieel onderdeel van het ontrafelen van het gehele complexe reactiemechanisme. We hebben een nieuwe manier geïntroduceerd van kijken naar een actieve katalysator met de ultieme resolutie.’
Publicatie
Linksonder: Topografische afbeelding van een regio (3840 nm2) van het oppervlak van de kobaltkatalysator tijdens de reactie, gemaakt met een Scanning Tunneling Microscope. De hoogte van de afbeelding is weergegeven met een kleurschaal, waar de donkere kleuren lager zijn dan de lichtere. De totale hoogte is 1,4 nm. De afbeelding is gemaakt na 40 minuten reactie bij 221 °C en een druk van 4 bar in een mix van de gassen koolstofmonoxide, waterstof en argon in de verhouding 1:2:2. Het kobaltoppervlak is bedekt door een gestreept patroon van tijdens de reactie geproduceerde moleculen. Ze liggen naast elkaar in een regelmatig patroon, zoals auto’s op een parkeerplaats. Het vergrootglas geeft een indruk van de organisatie van moleculen binnen de strepen.
Rechtsonder: Grafische weergave van de concentratie van moleculen die zijn geproduceerd tijdens de reactie op het kobaltkatalysatoroppervlak, als functie van de reactietijd, per lengte. Alles lengtes zijn geproduceerd tijdens de reactie, maar de kortere moleculen zijn erg vluchtig en verlaten het oppervlak snel. Langere moleculen bereiken hogere concentraties op het katalysatoroppervlak. De moleculen met 15 koolstofatomen zijn de eerste die een concentratie bereiken aan het oppervlak die hoog genoeg is om zich te organiseren in een gestreept, regelmatig patroon.