Je leest:

Röntgenmicroscoop en nanoreactor brengen werking van katalysator in beeld

Röntgenmicroscoop en nanoreactor brengen werking van katalysator in beeld

Auteur: | 14 november 2008

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht zijn er in geslaagd om de chemie van een werkende katalysator op nanometerschaal in kaart te brengen. Daarvoor gebruikten ze een bijzondere scanning transmissie röntgenmicroscoop van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten. Ze plaatsten er een nanoreactor in, ontwikkeld aan de TU Delft, en konden zo bestuderen hoe de katalysator verandert onder realistische procesomstandigheden. De onderzoeksresultaten staan deze week in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Het Utrechtse onderzoek heeft grote relevantie voor de chemische industrie, die haast ondenkbaar is zonder katalysatoren. Katalysatoren versnellen de chemische reacties zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Met name heterogene katalysatoren zijn van onschatbare waarde. Deze bestaan meestal uit metaal- of metaaloxidedeeltjes van nanoscopische afmetingen, aangebracht op een poreus vast dragermateriaal. Ze spelen bijvoorbeeld een cruciale rol in nieuwe processen voor de omzetting van aardgas, steenkool en biomassa in brandstoffen en grondstoffen voor de chemie.

Fabriek van Shell in Maleisië voor de (gekatalyseerde) synthese van diesel uit aardgas Beeld: www.jgc.co.jp

Oliemaatschappijen ontwikkelen die processen om de afhankelijkheid van de afnemende olievoorraad te verminderen. De Fischer-Tropsch synthese (van dieselachtige koolwaterstoffen uit koolmonoxide en waterstof) neemt daarbij een belangrijke plaats in. Om die synthese op een soepele manier te laten verlopen, met een zo hoog mogelijk opbrengst tegen zo laag mogelijke kosten, is het van cruciaal belang dat de katalysator zijn werk goed doet. Het in Nature gepubliceerde onderzoek van het Utrechtse Debye Instituut voor Nanowetenschappen geeft inzicht in de werking van een op ijzer gebaseerde katalysator voor de Fischer-Tropsch synthese. Shell Global Solutions was een belangrijke financier van het onderzoek.

Zachte röntgenstralen

De Utrechtse onderzoekers slaagden er in nauwkeurig in beeld te brengen wat er precies met de katalysator gebeurt dankzij de toepassing van scanning transmissie röntgenmicroscopie (STXM). Dat is een veelbelovende techniek voor katalysatoronderzoek omdat de chemische samenstelling van materialen er tot op nanometerniveau mee is te ‘bekijken’. Geen andere microscopietechniek biedt die mogelijkheid.

Er is wel een belangrijk praktisch nadeel: er zijn maar een paar STXMs op de wereld. Eén staat bij het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten. Daar levert het Advanced Light Source synchotron het type ‘zachte’ röntgenstraling dat nodig is voor STXM. Deze straling is minder energierijk dan de röntgenstraling die gebruikt wordt voor medische diagnostiek.

Gebouw van de Advanced Light Source in Berkeley, Verenigde Staten. Op de achtergrond in de verte liggen San Francisco en de Golden Gate brug. Beeld: ALS

In Berkeley behaalde de Utrechtse promovendus Emiel de Smit de resultaten die nu in de kolommen van Nature prijken. Hij schreef het artikel samen met zijn begeleider Frank de Groot en hoogleraar Bert Weckhuysen. Opmerkelijk is de vermelding van een viertal onderzoekers van de Technische Universiteit Delft, onder aanvoering van Fredrik Creemer. Zij ontwikkelden een nanoreactor die van groot belang was voor het Utrechtse onderzoek.

De nanoreactor neemt in de microscoop de plaats in van de samplehouder. Hij maakt het mogelijk het sample te bestuderen terwijl onder druk reactiegassen worden toegevoerd. Bovendien is de temperatuur te verhogen tot waarden die ook in de industriële reactoren gebruikelijk zijn.

“Met de nanoreactor kunnen we de katalysator in de röntgenmicroscoop onder realistische omstandigheden bestuderen”, aldus Frank de Groot. Realistisch betekent een druk van 1 bar of hoger, en temperaturen tot 500 graden Celsius. Nog nooit eerder was het gelukt onder die omstandigheden STXM te bedrijven.

Adapter met twee nanoreactoren (inzet) voor de STXM röntgenmicroscoop. De eigenlijke nanoreactoren zijn de kruisvormige onderdelen in het midden van de rechthoekige behuizingen. Het venster waar de röntgenbundel doorheen gaat meet slechts een halve millimeter in het vierkant. Bronnen beeld: Universiteit Utrecht en Technische Universiteit Delft

Fascinerende details

De röntgenmicroscoop scant de katalysatordeeltjes in de nanoreactor met een gefocusseerde bundel röntgenstralen van één specifieke golflengte. De lokale absorptie geeft daarbij de aanwezigheid van een bepaalde chemische verbinding aan. Door de scan te herhalen bij andere golflengten worden ook andere verbindingen geïdentificeerd.

Frank de Groot vertelt dat zo in een minuut of tien een volledig beeld ontstaat van de toestand van de katalysator, waarbij de kleinst waarneembare details ongeveer veertig nanometer groot zijn. “In potentie zou je nog verder kunnen inzoomen” aldus De Groot, “maar dat betekent dat je meer tijd moet nemen.”

Schematische weergave van de STXM techniek. Zachte röntgenstraling wordt met een fresnellens op het sample gefocusseerd. Hogere orde diffractiefrequenties worden uitgefilterd. De nanoreactor met het sample zit in een adapter die twee nanoreactoren kan bevatten en die met nanoprecisie in x,y en z richting is te bewegen. De röntgenstralen gaan door het sample heen en komen dan in een detector. Bron beeld: Nature/Universiteit Utrecht

De metingen brachten “fascinerende” details aan het licht, vertelt De Groot. Zo was metallisch ijzer waaneembaar na activering van de katalysator met waterstof. Ook werd duidelijk dat het ijzeroxide daarbij een andere samenstelling had gekregen. En na de Fischer-Tropsch reactie bleek ijzercarbide gevormd. “Door nu te bestuderen hoe de reactiecondities dergelijke veranderingen beïnvloeden, kunnen we inzicht krijgen in de factoren die de activiteit en stabiliteit van de katalysator bepalen”, aldus Frank de Groot. “De chemische industrie heeft grote behoefte aan dergelijke gegevens”.

Voorbeeld van het resultaat van een STXM scan. Opeenvolgende scans geven aan dat de Fe2O3 katalysatordeeltjes tijdens de reactie langzaam veranderen in een mengsel van Fe, Fe3O4 en Fe2SiO4. Zulke inzichten zijn van belang voor het ontwerp van optimale katalysatoren. Beeld: Universiteit Utrecht

In een commentaar in Nature noemt de Amerikaanse onderzoeker Alexis T. Bell (University of California at Berkeley) de mate waarin de röntgenmicroscoop de chemische details kan afbeelden “indrukwekkend”. Maar eigenlijk zou je tot op atomair niveau willen kijken, stelt hij. Hij verwacht dat de techniek zich in die richting verder zal ontwikkelen door verbeteringen in de röntgenoptiek en de afbeeldingstechnieken.

In Utrecht wordt ondertussen nagedacht over andere toepassingen van de röntgenmicroscoop, zoals voor de studie van waterstofopslag in metaalhydriden. De Groot wil ook gaan bekijken wat er gebeurt met medische nanodeeltjes in levende cellen. Hij denkt dat het inzicht kan opleveren waarmee gerichte toediening van geneesmiddelen en medische diagnostiek zijn te verbeteren.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 november 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.