We hebben allemaal wel al gehoord van de katalysator in een auto die de uitlaatgassen zuivert. Maar katalysatoren spelen ook een belangrijke rol in veel processen in de chemische industrie.

Nanomaterialen kunnen worden gedefinieerd als stoffen samengesteld uit geordende componenten waarvan ten minste één dimensie een afmeting heeft van 100 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een milimeter) of minder. Door de schaalverkleining – de morfologie heeft afmetingen die typisch 10.000 keer kleiner dan een mensenhaar - veranderen de eigenschappen van de materie drastisch. Bulk zilver is bijvoorbeeld niet giftig, terwijl zilveren nanodeeltjes met behulp van licht in staat zijn virussen te doden. Op dergelijke kleine schaal voldoet de materie aan andere fysische wetten en krijgen we te maken met typische kwantumeffecten. Het begin van de nano-wereld werd reeds aangekondigd in 1959 door Richard P. Feynman - natuurkundige van Caltech, die later ook de nobelprijs zou winnen - in zijn profetische toespraak “There’s of plenty of room at the bottom”. Hij formuleerde de hypothese dat atomen en moleculen net als bouwstenen, kunnen worden gemanipuleerd met atomaire precisie.

Sneller en efficiënter : Nanomaterialen als katalysatoren

Een andere eigenschap die nanomaterialen zo uniek maakt is hun hoge oppervlakte-volumeverhouding waardoor ze gebruikt worden als katalysator voor chemische reacties. In dat geval wordt het nanomateriaal toegevoegd aan een reactiemengsel om de reactie sneller en efficiënter (dus met minder energieverbruik) te laten doorgaan. Zonder katalysator zouden sommige chemische processen eeuwen duren. Ook in het menselijk lichaam zijn tal van katalysatoren actief, in dat geval biologische katalysatoren of enzymen. Zij zijn ondermeer verantwoordelijk voor de afbraak van suiker in ons lichaam.

Nanomaterialen zijn type voorbeelden van heterogene katalysatoren omdat ze als vaste stof zoals een poeder of korreltjes aan vloeibaar of gasvormig reactiemengsel worden toegevoegd. Poreuze nanomaterialen worden heel veel gebruikt in de chemische industrie ondermeer voor de omzetting van ruwe aardolie naar benzine, kerosine,… Men kan deze materialen het best vergelijken met moleculaire sponsen of zeven. Recent ontwikkelde poreuze nanomaterialen kunnen een soortelijk oppervlak hebben tot 5.000 m2/g. Het soortelijk oppervlak op atomair niveau beslaat dan per gram ongeveer 60 tot 70 tennisvelden. Dit zorgt ervoor dat moleculen kunnen diffunderen in deze materialen, adsorberen en vervolgens reageren. Door het grote interne oppervlak zijn er heel veel beschikbare actieve plaatsen voor de reactie.

Op maat gemaakte katalysatoren ? Maar hoe?

Deze heterogene katalysatoren kunnen in vele maten en vormen gemaakt worden. Men zegt ook dat ze vormselectief zijn, bepaalde moleculen kunnen erin diffunderen andere niet. De grote vraag die zich steeds stelt is “hoe maken we het materiaal zo efficiënt mogelijk voor een bepaalde energieomzetting”. In het verleden werd deze vraag veelal beantwoord door “trial and error” wat natuurlijk bijzonder veel experimentele proeven en handenvol geld kost. Idealitair kan men de moleculen volgen in de katalysator terwijl ze aan het werk zijn om zo het materiaal slim te ontwerpen m.a.w. op maat van de chemische reactie. Het is slechts heel recent dat met behulp van heel geavanceerde spectroscopische technieken onder bepaalde condities het mogelijk wordt de moleculen te visualiseren.

Een computerbril? Virtuele experimenten

Inzicht in het gedrag van moleculen op de kleinste schaal kan bekomen worden door het uitvoeren van computersimulaties. Deze simulaties fungeren als virtuele experimenten waarbij de oplossing van een wiskundige vergelijking het gedrag van een systeem in de werkelijkheid voorspelt. Deze studie van de stof op miniatuurschaal steunt vooral op de kwantummechanica. Die elegante en weinig intuïtieve wetenschap zadelde ons op met de ondraagbare last van onoplosbare vergelijkingen voor realistische systemen. Sinds het ontstaan van de kwantummechanica omstreeks de jaren ’30 duurde het nog ruim zeventig jaar vooraleer geavanceerde veeldeeltjestechnieken en numerieke algoritmen in staat waren om mede dankzij de steeds maar krachtiger wordende computers het moleculaire systeem op accurate manier te beschrijven.

Het modelleren van industrieel relevante katalysatoren vergt supercomputers van de sterkste soort. Zelfs met deze high performance computers duren gemiddelde simulaties nog ettelijke dagen en zelfs weken. Het alternatief hiervoor zijn natuurlijk heel tijdsrovende en bijzonder dure experimenten, waarbij ook de prijs van de grondstoffen om deze materialen te maken moet in rekening gebracht worden. Finaal zijn experimenten natuurlijk nog steeds nodig, alleen kan men dankzij de moleculaire modellering veel gerichter experimenteren en zo sneller en goedkoper betere resultaten bekomen.

Alternatieve grondstoffen

Het nut van de moleculaire simulaties is wereldwijd onmiskenbaar aangetoond. Onderzoekers in Vlaanderen spelen hierbij een prominente rol. Zo wordt in Vlaanderen toponderzoek verricht rond het uittekenen van chemische reactieroutes op de moleculaire schaal. Voor de omzetting van methanol naar olefines, de basisgrondstof van plastics, werd in Vlaanderen recent voor het eerst een volledige reactiecyclus uitgetekend. Methanol omzeilt het gebruik van aardolie bij de productie van plastics omdat het ook kan gewonnen worden uit biomassa. Zo’n dertig jaar geleden werd per toeval ontdekt dat methanol katalytisch kan omgezet worden tot lichte olefines. De industrie doet al langer proeven met het “methanol to olefin” proces. De stijgende aardolieprijzen maken het steeds aantrekkelijker om methanol (op basis van aardgas of biomassa) te gebruiken als alternatieve grondstof. In een regio waar de chemische industrie zo'n belangrijke rol speelt en verantwoordelijk is voor een groot deel van de export, kan dit tellen.

Europa investeert mee…

Grenzen zijn er om te verleggen. Sinds 2007 ondersteunt de European Research Council (ERC) baanbrekend visionair onderzoek door het toekennen van Europese beurzen aan jonge veelbelovende onderzoekers. In 2009 werd er ondermeer een dergelijke ERC starting grant toegekend aan een Vlaamse onderzoeker, voor de voorspelling van de chemische reactiekinetiek in nanoporeuze materialen met computersimulaties. Dit onderzoek kan enkel uitgevoerd worden wanneer krachtige supercomputers beschikbaar zijn. Het is de bedoeling verschillende katalysatoren op maat te ontwerpen voor de verwerking en productie van verschillende grondstoffen. Dit onderzoek gebeurt in nauwe samenwerking met experimentele partners. Deze laatste fabriceren en testen de materialen en zijn aldus volledig complementair met het computationeel onderzoek. Moleculaire modellering kan een substantiële bijdrage leveren aan het huidige energievraagstuk.

Links

Met dank aan...

Deze pagina kwam tot stand met de hulp van het CMM - Centrum voor Moleculaire Modellering van UGent.