Katalysator: het kleine hulpje achter grote chemische doorbraken
Bijna iedereen kent het woord uit de auto: de katalysator, dat metalen kastje in de uitlaat dat schadelijke uitlaatgassen omzet in minder schadelijke stoffen. Maar een katalysator is veel meer dan een onderdeel van je auto. Het is een verzamelnaam voor stoffen die een chemische reactie versnellen zonder dat ze zelf verbruikt worden. Je kunt het vergelijken met een berggids die wandelaars via een tunnel dwars door een berg leidt in plaats van eroverheen: de eindbestemming blijft hetzelfde, maar de route wordt veel makkelijker en sneller. De gids raakt zelf niet op en kan de volgende groep weer naar boven, of in dit geval naar beneden, brengen.
Deze eigenschap maakt katalysatoren tot een van de belangrijkste, maar onzichtbare bouwstenen van onze economie. Naar schatting is bij zo'n negentig procent van alle industriële chemische processen wereldwijd een katalysator betrokken, van de productie van kunstmest tot de raffinage van benzine. In het licht van de energietransitie krijgt dit oude vakgebied een nieuwe lading: katalysatoren moeten helpen om groene waterstof te maken, CO2 om te zetten in bruikbare grondstoffen en fabrieken te verduurzamen. Daarom duikt de term steeds vaker op in nieuws over toekomsttechnologie.
Wat is het precies?
Elke chemische reactie heeft een bepaalde hoeveelheid energie nodig om op gang te komen, de zogeheten activeringsenergie. Denk aan een bal die over een heuveltje geduwd moet worden voordat hij aan de andere kant naar beneden kan rollen. Een katalysator verlaagt dat heuveltje door een alternatieve route voor de reactie te bieden, met een lagere energiedrempel. Daardoor verloopt de reactie sneller, bij een lagere temperatuur, of met minder energie-input.
Belangrijk is dat de katalysator zelf niet verandert aan het einde van het proces. Hij gaat tijdelijk een verbinding aan met de reagerende stoffen, helpt ze om in de juiste positie en energietoestand te komen, en laat ze daarna weer los in hun nieuwe vorm. In theorie kan één katalysatordeeltje daardoor miljoenen keren opnieuw gebruikt worden, al raken katalysatoren in de praktijk na verloop van tijd vaak vervuild of beschadigd, een proces dat vergiftiging heet.
Scheikundigen onderscheiden grofweg twee hoofdvormen. Bij heterogene katalyse bevindt de katalysator zich in een andere fase dan de reagerende stoffen, bijvoorbeeld een vast metaal dat gassen omzet, zoals in de autokatalysator. Bij homogene katalyse zitten katalysator en reactanten in dezelfde fase, meestal opgelost in hetzelfde oplosmiddel, wat vaak nauwkeuriger te sturen is maar lastiger te scheiden na afloop. Een aparte, groeiende categorie is biokatalyse: enzymen, de katalysatoren die in levende cellen reacties aansturen, worden steeds vaker industrieel ingezet omdat ze zeer selectief werken en bij lage temperaturen functioneren.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter modern katalyseonderzoek is efficiëntie: hetzelfde resultaat bereiken met minder energie, minder grondstoffen en minder afval. Dat klinkt bescheiden, maar de impact is groot. Het Haber-Boschproces, waarmee kunstmest wordt gemaakt met behulp van een ijzerkatalysator, verbruikt naar schatting nog altijd zo'n een tot twee procent van het wereldwijde energieverbruik. Een efficiëntere katalysator zou daar direct een merkbaar verschil maken.
In de energietransitie krijgt katalyse een extra dimensie. Voor groene waterstof, gemaakt door water met elektriciteit te splitsen in een zogeheten elektrolyser, zijn katalysatoren nodig die de reactie aan beide elektroden versnellen. Op dit moment gebeurt dat vaak met platina en iridium, twee zeldzame en dure edelmetalen. Een groot deel van het onderzoek richt zich daarom op het vervangen van deze metalen door goedkopere en overvloediger beschikbare alternatieven, zoals nikkel, kobalt of ijzer, zonder dat de reactie trager of minder efficiënt wordt.
Daarnaast hopen onderzoekers met slimme katalysatoren afgevangen CO2 om te zetten in bruikbare producten, zoals synthetische brandstoffen, methanol of bouwstenen voor kunststoffen. Dat zou CO2 niet alleen minder schadelijk maken, maar ook nuttig, wat aansluit bij het idee van een circulaire economie waarin afvalstoffen weer grondstof worden.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste toepassing is de driewegkatalysator in benzineauto's, in de Europese Unie verplicht sinds 1993, die met platina, palladium en rhodium koolmonoxide, onverbrande koolwaterstoffen en stikstofoxiden omzet in kooldioxide, water en stikstof.
In de brandstofcelauto Toyota Mirai, sinds 2014 op de markt, zorgt een platinakatalysator ervoor dat waterstof en zuurstof efficiënt reageren tot elektriciteit en water, zonder verbranding.
Historisch fundamenteel is het al genoemde Haber-Boschproces uit 1913, waarbij een ijzerkatalysator stikstof en waterstof samenvoegt tot ammoniak, de basis van kunstmest waarmee naar schatting de helft van de wereldbevolking indirect gevoed wordt.
Recenter onderzoek richt zich op elektrokatalysatoren op basis van koper die CO2 en water kunnen omzetten in bruikbare stoffen zoals ethyleen of ethanol; onderzoeksgroepen aan onder meer de University of Toronto en in Nederland bij DIFFER en de Universiteit Utrecht publiceerden hierover de afgelopen jaren geregeld resultaten, al blijft dit voorlopig laboratorium- en pilotschaal.
Tot slot bekroonde de Nobelprijs Scheikunde 2021 het werk van Benjamin List en David MacMillan aan asymmetrische organokatalyse, een methode om met kleine organische moleculen in plaats van metalen zeer zuivere, spiegelbeeldvrije stoffen te maken, met toepassingen in de productie van medicijnen.
Hoe ver is de techniek?
Het beeld is gemengd, afhankelijk van de toepassing. Autokatalysatoren en het Haber-Boschproces zijn volwassen technologieën die al tientallen jaren, in het laatste geval meer dan een eeuw, in gebruik zijn en vooral nog stapsgewijs verbeterd worden.
Katalysatoren voor groene waterstof staan er wisselend voor. De zogeheten PEM-elektrolyse, die platina en iridium gebruikt, is technisch bewezen en wordt al op grote schaal gebouwd, maar de beperkte wereldwijde iridiumvoorraad wordt gezien als een reëel knelpunt voor verdere opschaling. Alkalische elektrolyse gebruikt goedkopere katalysatoren zoals nikkel, maar is doorgaans iets minder efficiënt. Onderzoek naar volledig edelmetaalvrije alternatieven levert in laboratoria bemoedigende resultaten op, maar heeft nog een weg te gaan voordat het commercieel concurrerend is.
Katalytische omzetting van CO2 naar brandstoffen of chemicaliën staat nog vroeger in de ontwikkeling. De belangrijkste obstakels zijn selectiviteit, hoe voorkom je dat er ongewenste bijproducten ontstaan, en stabiliteit, hoe blijft een katalysator maandenlang goed werken onder industriële omstandigheden. De meeste projecten bevinden zich op pilotschaal; opschaling naar industriële volumes blijkt in de praktijk vaak trager en duurder dan aanvankelijk gehoopt.
Wie werken eraan?
In Nederland doen het DIFFER instituut in Eindhoven en de vakgroepen katalyse van de Universiteit Utrecht, met hoogleraar Bert Weckhuysen als bekende naam in het veld, en de TU Delft en TU Eindhoven gericht onderzoek naar katalysatoren voor waterstof en CO2-conversie.
Internationaal lopen onderzoeksgroepen aan onder meer Caltech, Stanford en de University of Toronto voorop in elektrokatalyse voor CO2-omzetting, terwijl het Duitse Max Planck Institut für Chemische Energiekonversion zich specifiek richt op katalyse voor de energietransitie.
Op industrieel vlak zijn BASF en het Deense Haldor Topsoe wereldspelers in industriële katalysatoren, waaronder voor ammoniak en waterstof. Johnson Matthey uit het Verenigd Koninkrijk en het Belgische Umicore behoren tot de grootste producenten van autokatalysatoren en werken tegelijk aan katalysatoren voor brandstofcellen en batterijen. Bedrijven als Nel Hydrogen en ITM Power bouwen elektrolysers waarin deze katalysatoren worden toegepast. De Europese Unie financiert via haar Horizon-programma's daarnaast diverse samenwerkingsprojecten tussen deze partijen om katalysatoren voor de energietransitie versneld te ontwikkelen.