Je leest:

Synthetisch aardgas uit biomassa met nieuwe nanodraden-katalysator

Synthetisch aardgas uit biomassa met nieuwe nanodraden-katalysator

Auteur: | 18 oktober 2005

Een katalysator van nikkeldeeltjes aangebracht op koolstof nanodraden kan de vorming van van methaan uit synthesegas – bijvoorbeeld verkregen door de vergassing van biomassa – aanzienlijk verbeteren.

Martijn van der Lee maakte met steun van STW een katalysator van nikkeldeeltjes op koolstof nanodraden. Uit zijn onderzoek blijkt dat deze katalysator perspectief biedt voor het verbeteren van de productie van methaan uit synthesegas, dat bijvoorbeeld uit biomassa is te verkrijgen. Een patentaanvraag is inmiddels de deur uit. Van der Lee promoveert morgen (19 oktober) aan de Universiteit Utrecht.

Er zijn allerlei mogelijkheden om biomassa als energiebron te benutten. Zo kunnen we er stroom van maken door het te verbranden in elektriciteitscentrales. Maar als we ook onze huizen warm willen houden met biomassa is het handig er methaan van te maken – zeg maar synthetisch aardgas. Echt gemakkelijk is dat niet. Er zijn al vergassingsinstallaties in bedrijf die biomassa omzetten in een mengsel van allerlei gassen, met soms een beetje methaan erbij. Met name in hoge temperatuurvergassers zoals in het Limburgse Buggenum kan biomassa heel efficiënt omgezet worden, maar het gasmengsel bestaat dan vrijwel volledig uit koolmonoxide (CO) en waterstof (H2). Scheikundigen noemen zo’n mengsel synthesegas; het wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de productie van stoffen als kunstmest of methanol. In de industriële chemie wordt overigens (nog) geen gebruik gemaakt van synthesegas uit biomassa maar uit kolen of aardolie.

De vergasser van de Willem-Alexander Centrale in het Limburgse Buggenum werd oorspronkelijk ontworpen om op een milieuvriendelijke wijze energie op te wekken uit kolen. Tegenwoordig wordt er geëxperimenteerd met de gelijktijdige omzetting van biomassa zoals gemalen hout, papierslib en kippenmest. Beeld: www.nuonpower.nl

Zou je synthesegas uit een biomassa-vergasser willen omzetten in methaan dan heb je een katalysator nodig, een hulpstof die in dit geval het metaal nikkel moet bevatten. Het actuele probleem is dat de beschikbare nikkelkatalysatoren geen perspectief bieden op grootschalige productie van methaan uit synthesegas. Deze katalysatoren bestaan uit nikkelverbindingen op silica (siliciumoxide, SiO2; hoofdbestanddeel van zand) en ze worden vooral gebruikt om bij relatief lage temperaturen kleine hoeveelheden koolmonoxide om te zetten. Voor de omzetting van grote hoeveelheden synthesegas tot methaan zijn ze niet efficiënt genoeg; ze zijn bovendien slecht bestand tegen de hoge temperaturen die ermee gepaard gaan.

Patentaanvraag

Om de productie van methaan uit synthesegas te verbeteren ging Martijn van der Lee op zoek naar een nieuwe katalysator. Hij gebruikte wel weer nikkel als actief materiaal, maar bevestigde dat nu op koolstof nanodraden. Die hebben als voordeel dat ze veel stabieler zijn dan silica. De uitdaging was vooral om een voldoende hoge bulkdichtheid te realiseren: om zoveel mogelijk draden per kubieke centimeter te vormen. Waar men altijd dacht dat koolstof nanodraden een veel lagere dichtheid hadden dan silica slaagde Van der Lee er als eerste in om vergelijkbare dichtheden te realiseren. Vergroting van de conversiecapaciteit van nanodraad katalysatordragers betekent dat de benodigde reactoren veel kleiner kunnen zijn en daardoor wordt het conversieproces in principe een stuk goedkoper. Ook voor andere katalyseprocessen kan de nano-koolstof katalysatordrager overigens interessant zijn. De industrie heeft al veel interesse getoond omdat hij stabiel is, chemisch inert en een hoog specifiek oppervlak dat uitstekend toegankelijk is voor de reactanten. De financier van het onderzoek, technologiestichting STW, heeft er inmiddels patent op aangevraagd.

De nieuwe katalysatordrager ontwikkeld bij de Universiteit Utrecht. Boven zijn de ‘kooldraadbrokjes’ te zien zoals ze uit de reactor komen. Inzoomen met een elektronenmicroscoop (SEM) maakt de individuele draden zichtbaar (midden). Ze zijn enkele tientallen nanometer dik en tot één millimeter lang. Verder inzoomen met de transmissie electronen microscoop (TEM, onder) laat zien dat de grafietvlakken aan het oppervlak een visgraatstructuur vormen. (Klik op de afbeelding voor een vergroting van de visgraatstructuur) Beeld: sectie Anorganische Chemie, Universiteit Utrecht

200 vierkante meter

Koolstof nanodraden mogen zich de laatste jaren in een verhoogde belangstelling verheugen. Zeker sinds de ontdekking in 1991 van concentrische ‘nanotubes’ met bijzondere elektronische eigenschappen. Toch zijn het geen echt nieuwe materialen. Al meer dan een eeuw geleden werd melding gemaakt van een ongewenst vast bijproduct in omzettingsreacties van koolwaterstoffen. Achteraf bezien moet dat koolstof nanodraden hebben betroffen. Het gaat om grafietachtige materialen met een diameter in het nanometergebied (10-100 nm) terwijl de lengte kan oplopen tot een millimeter – dat is dus tien- tot honderduizend keer de dikte. Ter vergelijking: een springtouw van een centimeter doorsnede zou dan honderd meter tot een kilometer lang zijn. Eén gram koolstof nanodraadmateriaal kan daardoor wel honderd tot tweehonderd vierkante meter koolstofoppervlak bevatten; er zijn weinig andere materialen met zo’n hoog specifiek oppervlak. De toepassing van koolstof nanodraden als dragermateriaal voor katalysatoren dateert van rond 1990 en werd onder andere geïnitieerd door de inmiddels gepensioneerde Utrechtse hoogleraar J.W. Geus.

Martijn van der Lee perfectioneerde de techniek van het ‘katalytisch groeien’ met behulp van een nikkel/silica groeikatalysator. Zijn kooldraden hebben een “visgraat” structuur, dat wil zeggen dat de grafietlagen waaruit de kooldraad is opgebouwd een hoek maken ten opzichte van de lengteas van de kooldraad. Afhankelijk van de eigenschappen van de groeikatalysator hebben zijn draden een diameter tussen 10 en 30 nanometer en een lengte tot ongeveer één millimeter. De individuele kooldraden raken tijdens het groeien onderling verweven en vormen zo ‘kooldraadbrokjes’ die bepalend zijn voor de dichtheid en mechanische sterkte van de kooldraad-katalysatordrager.

De uiteindelijke katalysator met nikkel (de donkere deeltjes) afgezet op kooldraden. Dit materiaal kan synthese gas omzetten in methaan. Beeld: sectie Anorganische Chemie, Universiteit Utrecht

Metallisch nikkel

Met een optimale katalysatordrager uit kooldraden in handen was het tijd om te beoordelen of deze – zoals de verwachting was- de prestaties zou verbeteren van de nikkelkatalysator bij de vorming van methaan uit synthesegas. Van der Lee moest er dan wel eerst in slagen de nikkeldeeltjes überhaupt op de inerte koolstofdraden aan te brengen. Hij hanteerde daarbij een voorbehandeling met een mengsel van geconcentreerd salpeterzuur en zwavelzuur. Dat introduceert zuurstofhoudende groepen op het oppervlak van de kooldraden, die vervolgens als ‘ankers’ voor het nikkel fungeren. Van der Lee onderzocht vervolgens verschillende technieken om het nikkel daadwerkelijk aan te brengen en realiseerde uiteindelijk een maximale belading van 45% nikkeldeeltjes (naar gewicht) op de kooldraden. Voor puur metallische nikkeldeeltjes, waarvan de hoogste katalytische activiteit viel te verwachten, realiseerde Van der Lee een belading van 10%.

En dan de hamvraag: verbetert deze nikkel-op-kooldraden katalysator de omzetting van synthesegas in methaan ten opzichte van de nikkel-op-silica? Dat ziet er wel naar uit. De intrinsieke activiteit per oppervlakteatoom, de zogenaamde “turn over frequency (TOF)”, blijkt in het laboratorium nauwelijks van die van nikkel-op-silica te verschillen. Van der Lee heeft daarmee aangetoond dat de kooldraden geen negatieve effecten hebben op de activiteit van de nikkelkatalysator – al is er wel sprake van enige mate van deactivatie bij langduriger gebruik. Daarmee heeft hij laten zien dat nu een geschikte katalysatordrager voorhanden is die in principe de veeleisende omstandigheden bij de productie van methaan uit synthesegas kan doorstaan. Of de nikkeldeeltjes zelf onder die omstandigheden voldoende actief blijven is overigens een volgende vraag die in verder onderzoek beantwoord zal moeten worden.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 oktober 2005

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.