Ontluikende geheimen van katalysatoren
Om katalysatoren te bouwen die ontelbaar vaak brandstoffen uit CO2 kunnen produceren, moeten we nog veel meer te weten komen over de werking van katalyse. Irene Groot verricht baanbrekend onderzoek naar katalyse op atomair niveau.
Inzoomen op katalyse
Om duurzaam en rendabel schone brandstoffen te kunnen produceren via de omzetting van CO2, heeft de industrie optimaal presterende katalysatoren nodig. Deze katalysatoren moeten gemaakt zijn van een materiaal waarop de chemische reactie zoveel mogelijk product oplevert, en waarop deze reactie een enorm aantal keer kan worden uitgevoerd. ‘Natuurlijk gebruikt de industrie al ruim honderd jaar katalysatoren, maar eigenlijk zijn deze op trial and error-basis gevonden’, zegt universitair hoofddocent Irene Groot. Met uiterst verfijnde, nieuwe techniek onderzoekt zij op atomaire schaal wat er nu precies tijdens katalyse gebeurt. Bovendien bootst ze omgevingsomstandigheden na zoals je die in een fabriek zou vinden: onder hoge temperatuur, en bij hoge druk.
In de schoolboeken staat dat bij heterogene katalyse het oppervlak, waarop de reactie plaatsvindt, niet verandert. Groots onderzoek bevestigt echter zeer opmerkelijke recente inzichten die die stelling weerspreken. ‘Een katalysator leeft’, concludeert ze mede op basis van eigen waarnemingen. ‘Tijdens én vlak na de chemische reactie verandert de structuur van het oppervlak dramatisch.’
Naaldje met een dikte van een atoom
De onderzoeksgroep van Groot ontdekt dit soort zaken via de zogeheten raster-tunnelmicroscopie toegepast onder reactieomstandigheden. Deze unieke techniek is in Leiden door haar voorganger Joost Frenken ontwikkeld. Hij bedacht dat hij een microscoop met een naaldje met een dikte van een atoom - onvoorstelbaar dun dus - een katalysator-oppervlak kon laten scannen, terwijl een reactie plaatsvindt. Vooral dat laatste is belangrijk: katalyse is tot nu toe vaak onderzocht door naar de toestand voorafgaand en ná de reactie te kijken, maar eigenlijk nooit tijdens de reactie zelf.
Bovendien worden tijdens de reactie en de scan omstandigheden in de fabriek nagebootst: hoge druk en hoge temperatuur. ‘Dit doen we door het naaldje in een heel kleine reactor te stoppen, de rest van microscoop zit om die reactor heen’, legt Groot uit. ‘In de reactor kunnen we gassen inbrengen en het katalysator-oppervlak, dat ook in de reactor zit, kunnen we opwarmen. Zo kunnen we goed zien hoe dat oppervlak verandert onder invloed van de gassen en hoge temperaturen. Ook meten we de uitlaat van de reactor met massaspectrometrie, waarmee we informatie krijgen over welke producten er zijn gemaakt tijdens de reactie op het oppervlak.’
De verschillen die zich dan openbaren ten aanzien van katalyse onder laboratoriumomstandigheden, zijn heel groot. Onder hoge druk ziet Groot heel andere structuren aan het oppervlak van de katalysator ontstaan dan onder lage druk. ‘Dit is wat wij in jargon de pressure gap noemen. Dit geeft aan dat een katalysator leeft; de katalysator is niet ”dood”, zoals heel lang werd aangenomen. Hij speelt een actieve rol bij de chemische reactie.’ Ook zag Groot dat de katalysator ná de reactie zelf nog van structuur verandert bij dalende temperatuur en druk.
De Leidse rastertunnel-microscoop wordt verder ontwikkeld en verkocht door een spin-off bedrijf, Leiden Probe Microscopy.
Ontwikkeling van nieuwe techniek
Behalve het onderzoeken van katalyse, richt de groep van Groot zich ook op de ontwikkeling van nieuwe technieken om katalyse-oppervlakken te bestuderen. Hiervoor ontving ze onlangs een prestigieuze onderzoeksbeurs. De te ontwikkelen techniek heldert de atomaire structuur van de katalysator op (wáár zit elk atoom), en verstrekt tegelijkertijd chemische informatie (wélke atomen zitten er op het oppervlak). Deze informatie wordt verzameld terwijl de reactie plaatsvindt. ‘We willen graag tegelijkertijd kijken naar het oppervlak en bepalen welke elementen uit het periodiek systeem je ziet. Dat is theoretisch mogelijk, als je een rastertunnelmicroscoop combineert met röntgenstraling. Met het naaldje van de microscoop kun je de atomen zien, maar je weet niet wat hun chemische samenstelling is. Als je met röntgenstraling op het katalysatoroppervlak schijnt, ”sla” je elektronen uit de atomen. Voor elk chemisch element is specifiek bekend voor welke golflengte van de röntgenstraling dat gebeurt. De elektronen die je via de röntgenstraling uit je atomen slaat, vang je vervolgens op met de naald van de microscoop. De naald van je microscoop fungeert dus als een soort antenne, die chemische informatie opvangt over dat ene atoom waarboven je naaldje hangt. Door met het naaldje over het oppervlak te scannen terwijl je het ook met röntgenstraling beschijnt, kun je van elk atoom bekijken wáár het zit en wélk atoom het is.’
‘We zijn twee jaar geleden begonnen met het ontwikkelen van deze nieuwe techniek van röntgen en naaldje, en hebben nu een proof of principle. Maar dan bij kamertemperatuur, in een inert gas, dus een gas dat niet chemisch reageert met je katalysator. Onze droom is om met deze beurs de techniek bruikbaar te maken bij gassen die wél met elkaar reageren en onder hoge temperatuur.’
Terwijl Groot haar onderzoek voortzet, heeft ze al samenwerkingsverbanden met bedrijven zoals Shell, DSM en Sabic. Zij maken gebruik van haar kennis en bevindingen.
