Links de nanodeeltjes op een typische industriële kat. Rechts het verbeterde Utrechtse product.

Katalysatoren met nanometaaldeeltjes werken het beste als de deeltjes zo ver mogelijk van elkaar af zitten. Dat houdt dus in dat je ze zo regelmatig mogelijkover het oppervlak moet verspreiden, schrijven Utrechtse en Eindhovense onderzoekers op de website van Nature Materials.

Waarbij ze constateren dat de industriële katalysatoren, die nu op de markt verkrijgbaar zijn, meestal niet bepaald aan deze voorwaarde voldoen. Simpelweg omdat het nogal lastig is om grote aantallen nanodeeltjes netjes te positioneren op het oppervlak van een driedimensionaal gevormde porie in - bijvoorbeeld- een zeoliet.

Volgens laatste auteur Petra de Jongh is het probleem dat die nanodeeltjes tijdens het gebruik altijd gaan ‘wandelen’ over het oppervlak van de drager. Hoe dichter ze bij elkaar zitten, des te groter wordt de kans dat ze elkaar toevallig tegenkomen. En áls ze elkaar tegenkomen klonteren ze, neemt hun gezamenlijke oppeervlak af en gaat dus hun activiteit achteruit.

De Jonghs onderzoek heeft om te beginnen een methode opgeleverd om de spreiding van die nanodeeltjes over het oppervlak goed in beeld te krijgen. Elektronentomografie is daarbij het belangrijkste gereedschap.

Dankzij deze nieuwe informatie kun je voor het eerst een verband leggen tussen de prestaties van een industriële katalysator, en de opbouw op nanoschaal. Bovendien kun je er mee nagaan wat het effect is van veranderingen in de manier waarop je de katalysatordeeltjes produceert, en zo gericht toewerken naar een optimaal recept.

De onderzoekers hebben het gedemonstreerd aan de hand van een koper/zinkkatalysator die op zeer grote schaal wordt gebruikt bij de productie van methanol uit synthesegas. Normaal gesproken bestaan die uit koperkristallen en zinkoxidedeeltjes op alumina (Al2O3), en gaan ze net zolang mee totdat de koperdeeljes te veel gaan klonteren.

In Utrecht bereidden ze een alternatieve katalysator met mesoporeuze silica (SiO2) als drager. Door een paar trucjes uit te halen bij het laten neerslaan van het koper, lukte het om de koperdeeltjes allemaal ongeveer even groot te laten worden (4 nm gemiddeld) en ze bovendien vrijwel ideaal over de poriën te verspreiden. Het resultaat ging onder ‘realistische’ omstandigheden (dus in het lab maar bij industriële temperaturen en drukken) prompt een ordegrootte langer mee.

Waarbij kan worden aangetekend dat de toegepaste trucjes prima toepasbaar zouden moeten zijn op industriële schaal. Met andere woorden: uiteindelijk moet het helemaal niet zo moeilijk zijn om katalysatoren te produceren die veel langer meegaan dan de huidige.

Volgens De Jongh is dat vooral van belang als je die katalysatoren inzet voor ‘duurzame’ processen. Die worden er immers alleen maar duurzamer op als je niet meer voortdurend je katalysator moet vervangen.

bron: UU, Nature Materials

Onderwerpen