Nanokatalysator: piepkleine deeltjes die grote chemische reacties versnellen
Stel je een keukenmixer voor die je gerecht duizend keer sneller klaarmaakt, zonder dat de mixer zelf opraakt of verandert. Dat is ongeveer wat een katalysator doet in de chemie: hij versnelt een reactie tussen stoffen, maar wordt er zelf niet door verbruikt. Een nanokatalysator is zo'n hulpmiddel, maar dan gemaakt van deeltjes die extreem klein zijn: typisch tussen de 1 en 100 nanometer. Een nanometer is een miljardste van een meter, ongeveer honderdduizend keer dunner dan een mensenhaar.
Waarom die extreme kleinschaligheid? Bij katalysatoren geldt: hoe meer oppervlak het materiaal heeft in verhouding tot zijn gewicht, hoe beter het werkt. Vergelijk het met suiker: een suikerklontje lost langzaam op in thee, maar fijn poedersuiker lost razendsnel op omdat er zoveel meer korreloppervlak in contact komt met de vloeistof. Nanokatalysatoren zijn als het ware de poedersuiker-versie van klassieke katalysatoren: door ze zo klein te maken, ligt een veel groter deel van de atomen aan de buitenkant, waar ze daadwerkelijk kunnen reageren. Dat betekent minder materiaal nodig voor hetzelfde effect, en soms zelfs compleet nieuwe eigenschappen die grotere stukken van hetzelfde metaal niet hebben.
Wat is het precies?
Een katalysator is in de scheikunde een stof die een chemische reactie versnelt zonder er zelf blijvend door te veranderen. Denk aan de katalysator in een uitlaat van een auto, die schadelijke uitlaatgassen omzet in onschadelijkere stoffen. Een nanokatalysator doet hetzelfde werk, maar dan met deeltjes op nanoschaal, vaak van metalen zoals platina, palladium, goud of titanium.
Het productieproces begint meestal met het maken van de nanodeeltjes zelf. Dat kan op verschillende manieren: door metaalzouten chemisch te reduceren in een oplossing, door verdamping en condensatie in een vacuümkamer, of door speciale technieken waarbij atomen laag voor laag worden opgebouwd. De deeltjes worden vervolgens vaak vastgezet op een drager, bijvoorbeeld korrels koolstof, aluminiumoxide of een poreus materiaal genaamd zeoliet. Die drager voorkomt dat de nanodeeltjes samenklonteren, wat hun werkzame oppervlak weer zou verkleinen.
Eenmaal op zijn plaats zorgen de nanodeeltjes ervoor dat moleculen die normaal moeilijk met elkaar reageren, elkaar makkelijker "vinden" en omzetten. Ze doen dit door tijdelijk chemische bindingen met de reagerende moleculen aan te gaan, waardoor de energie die nodig is om de reactie te starten (de zogeheten activeringsenergie) omlaag gaat. Een bijzonder verschijnsel is dat sommige materialen op nanoschaal compleet ander gedrag vertonen dan in bulkvorm. Goud bijvoorbeeld is als groot stuk metaal chemisch nogal inert, maar goudnanodeeltjes van een paar nanometer kunnen juist heel actief reacties zoals koolmonoxide-oxidatie versnellen. Dit werd in de jaren tachtig ontdekt door de Japanse onderzoeker Masatake Haruta en geldt als een van de startpunten van het moderne onderzoeksveld.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter nanokatalysatoren is efficiëntie. Veel katalysatoren zijn gemaakt van zeldzame en dure edelmetalen zoals platina, palladium en rhodium. Door deze metalen te verwerken tot nanodeeltjes in plaats van grotere klompjes, is voor hetzelfde katalytische effect veel minder metaal nodig. Dat scheelt kosten en vermindert de druk op schaarse grondstoffen.
Daarnaast hoopt men reacties mogelijk te maken die met traditionele katalysatoren te traag, te energie-intensief of te vervuilend zijn. Voorbeelden zijn het efficiënter maken van waterstofproductie voor brandstofcellen, het omzetten van kooldioxide (CO2) in bruikbare brandstoffen of grondstoffen, en het schoner maken van industriële processen zoals de productie van kunstmest. Ook in de strijd tegen luchtvervuiling spelen nanokatalysatoren een rol, bijvoorbeeld in coatings die vervuilende stoffen afbreken onder invloed van licht.
Een derde doel is precisie. Sommige chemische reacties leveren naast het gewenste product ook ongewenste bijproducten op. Door de vorm, grootte en samenstelling van nanodeeltjes nauwkeurig te ontwerpen, proberen onderzoekers reacties selectiever te maken, zodat er minder afval en minder zuiveringsstappen nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Nanokatalysatoren zijn geen toekomstmuziek; een deel ervan wordt al dagelijks gebruikt.
- Autokatalysatoren: moderne driewegkatalysatoren gebruiken nanodeeltjes platina, palladium en rhodium op een keramische drager om schadelijke uitlaatgassen om te zetten. Fabrikanten als Umicore en Johnson Matthey verfijnen deze techniek al decennia om met minder edelmetaal hetzelfde reinigingseffect te bereiken.
- Waterstofauto's: in brandstofcellen van modellen zoals de Toyota Mirai en de Hyundai Nexo zitten platina-nanodeeltjes die de reactie tussen waterstof en zuurstof versnellen om elektriciteit op te wekken.
- Zelfreinigend glas: sinds begin jaren 2000 verkoopt glasfabrikant Pilkington glas met een dunne laag titaniumdioxide-nanodeeltjes (Pilkington Activ) die onder invloed van zonlicht organisch vuil afbreken.
- Single-atom katalyse: onderzoekers van het Dalian Institute of Chemical Physics in China, onder leiding van Tao Zhang, ontwikkelden vanaf 2011 katalysatoren waarbij losse metaalatomen op een drager worden verankerd, de extreemste vorm van miniaturisatie binnen dit veld.
- CO2-omzetting: laboratoria wereldwijd, waaronder aan de TU Delft en Universiteit Utrecht, experimenteren met kopernanokatalysatoren die CO2 en water kunnen omzetten in bijvoorbeeld ethyleen of mierenzuur, grondstoffen voor de chemische industrie. Dit staat nog vooral in de onderzoeksfase.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling van nanokatalysatoren kent grote verschillen per toepassing. Autokatalysatoren en zelfreinigend glas zijn al lang gecommercialiseerd en worden voortdurend verbeterd. Brandstofceltechnologie met platina-nanokatalysatoren wordt toegepast in enkele duizenden voertuigen wereldwijd, al blijft de hoge kostprijs van platina een knelpunt.
Toepassingen zoals CO2-conversie naar brandstoffen en single-atom katalyse voor grootschalige industrie bevinden zich grotendeels nog in de onderzoeks- en pilotfase. De belangrijkste technische obstakels zijn stabiliteit en kosten: nanodeeltjes hebben de neiging om bij hoge temperaturen of na langdurig gebruik samen te klonteren (een proces dat sintering heet), waardoor ze hun grote actieve oppervlak en dus hun effectiviteit verliezen. Ook is het lastig om nanokatalysatoren op grote, industriële schaal te produceren met een constante kwaliteit, en is precies waarnemen wat er op atomair niveau tijdens een reactie gebeurt nog altijd een technische uitdaging, ondanks vooruitgang in elektronenmicroscopie en andere analysetechnieken.
Het tempo van vooruitgang is de afgelopen tien tot vijftien jaar duidelijk versneld, mede dankzij betere meetapparatuur en rekenkracht om materialen vooraf te simuleren. Toch waarschuwen onderzoekers voor overhaaste verwachtingen: veel veelbelovende laboratoriumresultaten met nanokatalysatoren blijken bij opschaling naar industriële volumes minder goed te presteren dan gehoopt.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar nanokatalysatoren is sterk internationaal verspreid. In Nederland speelt het onderzoeksconsortium ARC CBBC (Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium), een samenwerking tussen onder meer Shell, Universiteit Utrecht, TU Eindhoven en TU Delft, een belangrijke rol bij het ontwikkelen van katalysatoren voor een duurzamere chemische industrie. Ook het Nederlandse onderzoeksinstituut NIOK (Netherlands Institute for Catalysis Research) bundelt kennis van meerdere universiteiten.
Internationaal doen onder meer het Dalian Institute of Chemical Physics (China), het Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion (Duitsland) en Amerikaanse nationale laboratoria zoals Argonne National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory baanbrekend onderzoek. Op het gebied van commerciële toepassingen zijn bedrijven als Umicore (België), Johnson Matthey (Verenigd Koninkrijk), BASF (Duitsland) en Shell (Nederland/Verenigd Koninkrijk) grote spelers, naast Aziatische en Amerikaanse chemieconcerns die investeren in schonere industriële processen.
Financiering komt vaak van een mix van overheden, de Europese Unie via onderzoeksprogramma's als Horizon Europe, en de industrie zelf, die baat heeft bij goedkopere en schonere productieprocessen.