Je leest:

Eerst zien, dan geloven

Eerst zien, dan geloven

Bert Weckhuysen ontrafelt geheimen van katalysatoren

Auteur: | 10 juni 2013

Wat gebeurt er precies in katalysatoren op het moment dat zij een chemisch proces uitvoeren? Dat is de vraag waarmee Bert Weckhuysen, winnaar van één van de Spinozapremies 2013, zich bezighoudt. Met unieke microscopen weet de Utrechtse hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse het antwoord op deze vraag steeds beter in beeld te brengen. Daarmee maakt hij de weg vrij naar de verbetering van katalysatoren.

Universiteit Utrecht

Hoewel hij oorspronkelijk uit Vlaanderen komt, is Bert Weckhuysen (44) sinds 2000 hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse aan de Universiteit Utrecht. “Ik kreeg de kans om op mijn 32e hoogleraar te worden, met een vacature die mij op het lijf was geschreven. Nederland, en Utrecht in het bijzonder, hebben me veel mogelijkheden gegeven om mijn wetenschappelijke ambities te realiseren”, verklaart hij.

Voordat hij vragen beantwoordt, geeft Weckhuysen een enthousiaste rondleiding door zijn lab. “Wij maken geen nieuwe moleculen, maar wel nieuwe of verbeterde katalysatoren om bestaande moleculen beter of duurzamer te produceren. Eigenlijk ben ik een fysisch chemicus die met analytische technieken kijkt naar katalyse, en daarmee probeert chemische processen te verbeteren.”

Unieke aanpak

Het motto bij veel van zijn onderzoek is: eerst zien, dan geloven. Weckhuysen gebruikt namelijk tal van technieken om katalysatoren te bestuderen terwijl ze een chemische reactie uitvoeren.

Een kijkje in één van de analyse-apparaten in het laboratorium.
Universiteit Utrecht

Die aanpak is volgens hem redelijk uniek: “Er zijn wereldwijd meerdere onderzoeksgroepen die op deze manier aan katalyse werken, maar er zijn weinig laboratoria met het hele spectrum aan apparatuur voor chemische imaging zoals wij dat hier hebben. Wij kunnen katalyse bestuderen van het niveau van een enkel katalysatordeeltje tot het niveau van een proefreactor.”

De apparatuur is meestal niet door Weckhuysen en zijn team zelf ontwikkeld, maar onderdelen zijn vaak wel volgens hun voorstel op een speciale manier gecombineerd. Eén van de apparaten is een tastmicroscoop (Atomic Force Microscope, AFM) gecombineerd met Raman-spectroscopie. Het geheel zit in een speciale behuizing om gassen en vloeistoffen te ‘bekijken’. Deze microscoop kan met een fijne naald een oppervlak op atomair en moleculair niveau scannen en analyseren.

Vorige zomer kwamen Weckhuysen en zijn collega’s in het nieuws omdat ze de naald van de AFM bedekt hadden met een laagje zilver, dat vervolgens als katalysator kon functioneren. Zo werd de microscoop onderdeel van een chemische reactie, en konden ze de reagerende moleculen tot in de kleinste details volgen. In oktober vorig jaar kreeg Weckhuysen voor zijn onderzoek met deze techniek een prestigieuze Europese subsidie (ERC Advanced Grant) van 2,5 miljoen euro. Hij wil die onder meer gebruiken om katalysatoren voor biomassaconversie te verbeteren.

Weckhuysen: “We gaan filmlaagjes maken van katalysatoren en daarna met een nano-oog bekijken wat er precies in die katalysator gebeurt. Het bijzondere is dat we een container gaan bouwen om het apparaat heen, zodat we de experimenten kunnen uitvoeren bij hoge druk en temperatuur. Dat zijn tenslotte de condities die in de praktijk gebruikt worden.”

Universiteit Utrecht

Biomassa en zonnebrandstof

“In het verleden richtten we ons bij de toepassing van katalysatoren vooral op op olie gebaseerde producten. Dat doen we nog altijd met veel inzet, maar het onderzoek gaat steeds meer richting biomassa en zonnebrandstoffen”, aldus Weckhuysen. Zonnebrandstoffen zijn een relatief nieuw concept. Het idee daarbij is om via kunstmatige fotosynthese brandstoffen te produceren uit zonlicht, water en CO2.

Weckhuysen was in 2007 één van de initiatiefnemers van CatchBio. Hij is wetenschappelijk directeur van dit publiek/private onderzoeksprogramma, gericht op de ontwikkeling van katalysatoren voor de omzetting van biomassa in brandstoffen en materialen.

Volgens Weckhuysen hebben chemische katalysatoren een belangrijk voordeel vergeleken met biokatalysatoren (meestal enzymen): “In de energiesector heb je te maken met enorme volumes. Om een omzetting efficiënt te kunnen uitvoeren, helpt het om het proces te laten verlopen bij hoge druk en temperatuur. Biokatalysatoren zijn daartegen minder bestand. Aan de andere kant hebben zij het voordeel van een hoge selectiviteit."

“Ik denk dat we uiteindelijk uitkomen op een geïntegreerd systeem waarbij elke druppel biomassa wordt benut met een combinatie van chemische katalyse, biokatalyse en thermische conversie. In de praktijk zal voor elk specifiek proces moeten blijken welke optie het beste is.”

Belastingbetaler

Weckhuysen is ook wetenschappelijk directeur van het Nederlands Instituut voor Onderzoek naar Katalyse, lid van het gebiedsbestuur Chemische Wetenschappen van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek èn lid van het topteam van de Topsector Chemie. “Ik vind het belangrijk om op deze manier iets te doen voor de samenleving als geheel", zegt de hoogleraar. “De tijd is voorbij dat je in een witte jas in je ivoren toren kon zitten en kon denken dat het geld vanzelf zou binnenkomen.”

“Je moet je buiten de deur hard maken voor je vak en aan de belastingbetaler uitleggen wat je doet. Onderzoek hoeft niet direct nuttig te zijn, ik ben een voorstander van fundamenteel onderzoek, maar je moet wel kunnen uitleggen waarom je geld nodig hebt.”

Universiteit Utrecht

Gelukkig heeft Weckhuysen naast al die bestuurlijke functies extra ruimte en mogelijkheden gekregen om onderzoek te doen. Zijn aanstelling als faculteitshoogleraar per 1 september 2012 stelt hem vrij van onderwijs en bestuur binnen de universiteit.

Op het gebied van katalyse ziet Weckhuysen steeds meer samenwerking tussen wetenschap en chemische industrie, maar chemiebreed vindt hij meer samenwerking gewenst. “Toen ik recent voor een sabbatical in Californië was, viel me op dat er veel interactie was tussen medewerkers van bedrijven en onderzoekers aan universiteiten. Juist zo’n grensvlak kan veel opleveren, en omdat Nederland klein is zijn er voldoende mogelijkheden om dit te organiseren. Het zorgt ervoor dat academici werken aan relevante problemen en dat bedrijven zien wat er gebeurt en bovendien snel nieuw talent herkennen.”

Onderzoek: doodlopende straten in zeoliet

Het vergrootglas toont de bouwstenen van het zeoliet als een soort legoblokjes, in blauw en geel. De alkaanmoleculen zijn grijs.

In één van de onderzoeksprojecten gebruikte de researchgroep van Weckhuysen een combinatie van verschillende technieken om de structuur van een industriële zeolietkatalysator (ZSM-5) in kaart te brengen. Een zeoliet is een kristal waar allemaal kleine kanaaltjes doorheen lopen.

Zeolietkristallen worden bijvoorbeeld gebruikt bij het katalytisch kraken van aardolie. Hierbij is het de bedoeling dat lange koolwaterstofketens (alkanen) de poriën van de zeoliet binnendringen, daar worden geknipt, om er vervolgens aan de andere kant in kleine stukken weer uit te komen. De groep stelde zich tot doel een soort ‘stratenplan’ van het binnenste van de katalysator te maken.

Weckhuysen: “We ontdekten dat er binnen in de zeoliet veel interne diffusiebarrières aanwezig zijn, als een soort obstakels die ervoor zorgen dat delen van het zeolietmateriaal moeilijk of niet toegankelijk zijn voor moleculen .”

De zeoliet bevat als het ware een aantal doodlopende straten. Moleculen die hierin terechtkomen, kunnen alleen nog proberen om te keren, wat echter niet lukt als er een file van andere moleculen achter ze staat. De bouwstenen van zeolietkristallen sluiten niet goed op elkaar aan en veroorzaken de blokkades. De katalytische mogelijkheden van een zeolietkristal worden hierdoor maar gedeeltelijk benut.

Dit artikel is een publicatie van Chemie Magazine | VNCI.
© Chemie Magazine | VNCI, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 juni 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.