Bismutoxychloride: het witte poeder dat licht omzet in chemie
Bismutoxychloride, met de scheikundige formule BiOCl, is een wit tot lichtgeel kristallijn poeder dat is opgebouwd uit de elementen bismut, zuurstof en chloor. Het bestaat ook als natuurlijk mineraal, bismoclite genaamd, maar voor toepassingen wordt het tegenwoordig vrijwel altijd synthetisch gemaakt in het laboratorium. De kans is groot dat je het al eens op je gezicht hebt gehad: bismutoxychloride is al decennialang de stof die oogschaduw, highlighter en parelmoerlak die karakteristieke glinsterende, parelachtige gloed geeft, vergelijkbaar met de binnenkant van een mosselschelp.
De laatste vijftien jaar kijken materiaalonderzoekers echter om een heel andere reden naar dit ogenschijnlijk saaie witte poeder. BiOCl blijkt namelijk een halfgeleider te zijn met een bijzondere gelaagde kristalstructuur, waardoor het onder invloed van licht chemische reacties kan aanjagen. Vergelijk het met een zonnepaneel dat geen stroom levert, maar in plaats daarvan vervuilende moleculen in water of lucht afbreekt. Die eigenschap, fotokatalyse genoemd, maakt bismutoxychloride tot een veelbelovend maar nog grotendeels experimenteel materiaal voor schone technologie, naast zijn allang bestaande rol als cosmetisch glinsterpigment.
Wat is het precies?
BiOCl kristalliseert in een gelaagde structuur die scheikundigen de "matlockite"-structuur noemen, vernoemd naar een loodmineraal met een vergelijkbare opbouw. Je kunt het je voorstellen als een soort millefeuille: dunne laagjes van bismut- en zuurstofatomen worden aan weerszijden ingeklemd door laagjes chlooratomen. Deze afwisseling van lagen zorgt voor een intern elektrisch veld in het kristal.
Dat interne veld is precies waarom het materiaal interessant is als fotokatalysator. Wanneer licht met voldoende energie op BiOCl valt, worden elektronen in het kristal losgeslagen. Er ontstaat dan een negatief geladen elektron en een positief geladen "gat" op de plek waar het elektron wegging. Normaal gesproken vinden zulke elektron-gatparen elkaar meteen weer terug en verdwijnt de opgevangen energie als warmte, zonder dat er iets nuttigs gebeurt. Doordat de lagen in BiOCl geladen deeltjes uit elkaar trekken, blijven elektron en gat in dit materiaal langer gescheiden. Ze krijgen zo de kans om aan het oppervlak van het kristal te reageren met zuurstof of water, waarbij reactieve deeltjes ontstaan die op hun beurt vervuilende stoffen kunnen afbreken.
Een belangrijke beperking is dat zuiver BiOCl vooral ultraviolet licht absorbeert: de energie die nodig is om een elektron los te slaan (de "bandgap", uitgedrukt in elektronvolt of eV) ligt rond de 3,2 tot 3,5 eV, wat overeenkomt met UV-licht. Omdat maar een klein deel van het zonlicht uit UV bestaat, proberen onderzoekers het materiaal gevoeliger te maken voor zichtbaar licht, bijvoorbeeld door het te combineren met andere halfgeleiders, door vreemde atomen in het kristalrooster in te bouwen (doping), of door het in extreem dunne nanoplaatjes te maken die meer reactief oppervlak bieden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is een goedkoop, ongiftig alternatief te vinden voor titaniumdioxide (TiO2), al decennialang de standaard fotokatalysator in bijvoorbeeld zelfreinigende ramen en luchtzuiverende coatings. TiO2 werkt goed, maar reageert eveneens vrijwel alleen op UV-licht en is daardoor in gewoon binnenlicht of bewolkt daglicht minder effectief. Bismut is bovendien relatief goedkoop, omdat het als bijproduct vrijkomt bij de raffinage van lood-, koper- en tinertsen, en het geldt als veel minder giftig dan zware metalen zoals cadmium of lood die in sommige andere halfgeleidermaterialen worden gebruikt.
Met dat uitgangspunt richt het onderzoek zich op een aantal concrete toepassingen: coatings die luchtvervuiling zoals stikstofoxiden (NOx) afbreken, materialen die verontreinigingen en medicijnresten in afvalwater helpen afbreken, oppervlakken met een antibacteriële werking, en op de langere termijn zelfs "kunstmatige fotosynthese" waarbij zonlicht wordt gebruikt om kooldioxide om te zetten in bruikbare brandstofmoleculen. Het achterliggende doel is steeds hetzelfde: zonlicht, de meest overvloedige energiebron die er is, direct inzetten om vervuiling op te ruimen of nuttige stoffen te maken, zonder tussenkomst van elektriciteitsnetten of dure edelmetaalkatalysatoren.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest concrete en al lang bestaande gebruik van bismutoxychloride ligt buiten de energie- en milieutechniek: de cosmetica-industrie. Chemieconcern Merck KGaA verkoopt al decennia parelmoerpigmenten op basis van bismutoxychloride, onder merknamen als Xirona en Colorona, die worden verwerkt in make-up, nagellak en autoverf. Dit is verreweg de meest volwassen en commercieel bewezen toepassing van het materiaal.
Op het gebied van fotokatalyse geldt onderzoek van de groep van Jinhua Ye bij het Japanse National Institute for Materials Science (NIMS) als een van de aanjagers van de belangstelling voor BiOCl, met invloedrijke publicaties vanaf eind jaren 2000 die lieten zien dat het materiaal onder UV-licht kleurstoffen effectiever kon afbreken dan gangbaar titaniumdioxide.
Sindsdien is er een golf van laboratoriumonderzoek gevolgd, met een opvallend groot aandeel afkomstig van Chinese universiteiten en onderzoeksinstituten. Voorbeelden zijn studies waarin dunne BiOCl-nanoplaatjes werden getest voor het afbreken van kleurstoffen zoals rhodamine B in afvalwater, en experimenten waarbij BiOCl-coatings op tegels of gevelmateriaal stikstofoxiden uit de lucht filterden, vergelijkbaar met bestaande zelfreinigende betonproeven met TiO2.
Een andere onderzoekslijn combineert BiOCl met andere halfgeleiders, zoals grafitisch koolstofnitride (g-C3N4), tot zogeheten composietmaterialen. Deze combinaties zijn sinds het midden van de jaren 2010 in tal van studies onderzocht als route naar fotokatalytische omzetting van CO2 in bijvoorbeeld methanol of koolmonoxide, een stap richting kunstmatige fotosynthese. Dit blijft vooralsnog laboratoriumwerk op kleine schaal, gepubliceerd in vakbladen als Applied Catalysis B: Environmental en Chemical Engineering Journal, zonder dat er op dit moment op industriële schaal gebouwde installaties bestaan.
Hoe ver is de techniek?
Er is een groot verschil tussen de twee gezichten van bismutoxychloride. Als cosmetisch pigment is het materiaal volledig uitontwikkeld en wordt het al tientallen jaren op industriële schaal geproduceerd en verkocht; hier is niets experimenteels meer aan.
Als fotokatalysator voor milieu- en energietoepassingen bevindt BiOCl zich daarentegen nog stevig in de onderzoeksfase. Het aantal wetenschappelijke publicaties is sinds ongeveer 2010 sterk gegroeid, wat wijst op veel academische belangstelling, maar dat vertaalt zich tot nu toe niet in commerciële producten buiten de cosmetica. Belangrijke obstakels zijn dat de fotokatalytische activiteit onder puur zichtbaar licht (dus zonder UV-component) meestal nog achterblijft bij wat nodig is voor praktische toepassingen, dat nanoplaatjes en composietvormen lastig en relatief duur op te schalen zijn naar fabrieksniveau, en dat de langetermijnstabiliteit van het materiaal onder continue blootstelling aan licht, vocht en vervuilende stoffen nog onvoldoende in kaart is gebracht. Ook is er beduidend minder onderzoek gedaan naar mogelijke gezondheids- en milieueffecten van BiOCl-nanodeeltjes dan naar het veel langer gebruikte titaniumdioxide, wat voorzichtigheid rechtvaardigt voordat het materiaal op grote schaal in de buitenlucht of in waterzuivering wordt toegepast.
Wie werken eraan?
Het cosmetische gebruik van bismutoxychloride wordt gedomineerd door grote chemieconcerns met pigmentdivisies, met Merck KGaA (Darmstadt, Duitsland) als bekendste producent van parelmoerpigmenten.
Op het fotokatalyse-onderzoek is het beeld internationaler, maar met een duidelijk zwaartepunt in Oost-Azië. Japanse instituten zoals NIMS speelden een pioniersrol, en sindsdien is een groot deel van de wetenschappelijke output afkomstig van Chinese universiteiten en de Chinese Academy of Sciences, die wereldwijd tot de meest actieve publicisten op het gebied van fotokatalytische materialen behoren. Daarnaast dragen onderzoeksgroepen in Europa en Noord-Amerika bij, doorgaans verbonden aan universitaire scheikunde- en materiaalkundefaculteiten, vaak in samenwerking met tijdschriften en vakgenootschappen als de Royal Society of Chemistry die het onderzoek publiceren en beoordelen. Van grote, op BiOCl gespecialiseerde start-ups of scale-ups buiten de cosmetica is op dit moment geen sprake; het blijft vooral academisch terrein.