Schaarse materialen maken

Prof.dr. Rutger van Santen
Hoogleraar Chemische Technologie en Heterogene Katalyse
Technische Universiteit Eindhoven

Belangrijke wetenschappelijke en technologische ontwikkelingen en hun betekenis voor de samenleving

Scheikundige technologie is het kennisgebied dat ons in staat stelt beschikbare grondstoffen op energiezuinige wijze en met minimale afval om te zetten in schaarse materialen of zelfs in de natuur onbekende materialen, nodig voor onze moderne maatschappij.

Het technologiegebied heterogene katalyse houdt zich specifiek bezig met de chemische veranderingen die in deze processen een rol spelen. Een katalysator is een substantie, vaak in de vorm van een microporeus poeder van zeer complexe samenstelling die een chemische reactie naar een gewenst product selectief en bij lage temperatuur laat verlopen. Dit soort heterogene katalysatoren wordt thans toegepast in negentig procent van de huidige grootschalige chemische processen. Toepassingen variëren van olieraffinage, olie en margarine productie in de voedingsindustrie of productie van geneesmiddelen en kunststoffen. Een voorbeeld zijn de polymeren die worden gebruikt als lichte materialen in de autofabricage of in de plasticindustrie als verpakkingsmateriaal.

Recente belangrijke bijdragen van het gebied zijn vooral op het gebied van toepassingen in “Renewable Energy” Systems. Hierbij betreft het gebruik van zonne-energie als alternatieve energiebron. Dit gebeurt door zonne-energie in te vangen in collectoren die elektriciteit genereren. Deze elektriciteit kan met water worden omgezet in waterstof, dat kan worden ingezet bij de vele chemische processen die energie in de vorm van waterstof nodig hebben.

Er is veel voortgang gemaakt met de ontdekking van nieuwe materialen die geschikte kandidaat zijn voor grootschalige productie van zonnecellen op basis van organische polymeren. Grootschalige efficiënte productie van de daartoe te produceren polymeren zijn mogelijk door katalytische processen.

Voor toepassing van elektriciteit in kleinschalige toepassingen zoals auto’s is nodig de elektriciteit efficiënt op te slaan in batterijen en deze snel te kunnen ontladen en te beladen. Nieuwe materialen zijn ontdekt die dit vanwege hun katalytische eigenschappen veel beter doen dan klassiek beschikbare systemen.

De waterstof beschikbaar van het “Renewable energie” systeem kan worden gebruikt in de vele nieuwe katalytische processen die de afgelopen 10 jaar zijn ontdekt om biomassa exploiteren. Glucose afkomstig van biologische grondstoffen ( zoals cellulose) kan worden omgezet in alle mogelijke nuttige chemicaliën. Een mooi voorbeeld is de recente ontwikkeling van Avantium (Amsterdam) die op basis van de chemie van de moleculaire furaanstructuur een proces ontwikkelt dat polymeren produceert die vervanging mogelijk maakt van huidige plastic flessen , gebaseerd op niet biologisch afbreekbare PET door een biologisch afbreekbaar polymeer van dezelfde kwaliteit .

Een ander voorbeeld is de productie van benzines en diesel op basis van vergassing van moeilijke omzetbare bestanddelen van planten met behulp van het z.g. Fischer-Tropsch proces waarbij de waterstof gegenereerd van ”Renewable Energie dragers“ wordt gebruikt. Dit is analoog aan thans grootschalig toegepaste processen van de oliemaatschappijen Shell en Sasol in Qatar die het daar gewonnen aardgas ter plekke omzetten in vloeibare energiedragers. Gebruik van aardgas levert een belangrijke bijdrage aan CO2-reductie .Toepassing van plantaardig afval als grondstof levert een nog duurzamere bijdrage aan koolzuuremissiereductie.

Een technologische uitdaging

Voor de heterogene katalyse is de grootste huidige uitdaging een chemisch antwoord te vinden op de noodzaak de uitstoot van koolzuur te verminderen bij processen waarbij energie wordt geconverteerd.

Een uitvinding van uitzonderlijke draagwijdte zou de ontdekking van een proces zijn dat het huidige koolzuur uit de atmosfeer terugwint. Planten doen dit nu met behulp van zonlicht. Chemisch onderzoek aan kunstmatig gemaakte bladeren die de plant nadoen gaat in deze richting.

Nieuwe en recente wetenschappelijke ontwikkelingen

Boven vermelde ontwikkelingen vinden hun oorsprong in baanbrekend fundamenteel onderzoek van de werking en het maken van katalytische systemen.

Chemische processen hebben hun oorsprong in reacties van moleculen , die zijn opgebouwd uit atomen. Bij een chemische reactie worden in een molecuul bindingen tussen atomen verbroken en vinden recombinaties plaats van moleculaire fragmenten naar gewenste product moleculen. De katalysator richt deze processen waarbij het gewenste product molecuul wordt gevormd.

Vooral door toepassing van moderne computertechnologie kunnen thans op atomair niveau de katalytische processen worden gesimuleerd . Daardoor kunnen voorspellingen worden gedaan van de optimale chemische samenstelling van materialen die gewenste katalytische eigenschappen hebben. Onmisbaar daarbij zijn experimentele technieken die de processen aan het katalysator oppervlak op atomair niveau kunnen volgen. Unieke lichtbronnen als Synchrotron’s, hoge resolutie elektronen microscopen en nieuwe lasertechnieken zijn ontwikkeld die dit mogelijk maken(Nobel prijzen Ertl, Zewail).

Een wetenschappelijke uitdaging

Vanwege de mogelijkheid met atomaire precisie optimale katalytische materialen te voorspellen wordt het nodig om methodes te ontwikkelen om deze complexe materialen te kunnen maken. De structuur en samenstelling moet dan op atomair niveau kunnen worden bepaald. Huidige microscopische ontwikkelingen in de nanotechnologie gaan in deze richting. Echter grootschalige productie van dit type materialen is nog niet praktisch mogelijk.

Hier ligt een grote wetenschappelijke uitdaging voor de chemie. Het betreft onderzoek aan chemisch complexe systemen zo ontworpen dat ze een gewenste complexe structuur maken door self assembly en self-organisatie ,zonder dat directe externe manipulatie van atomen of moleculen daaraan te pas komt.

Een huidig voorbeeld van grootschalige synthese van atomair gedefinieerde structuren door self-assembly is dat van zeolitische anorganische systemen met een poriestructuur die vastligt vanwege een gecontroleerde positie van atomen (zie Science 234,1635 (2011)). In de synthese wordt veelal gebruik gemaakt van organische moleculen die functioneren als een templaat voor het porie vormende proces, zoals in de klassieke drukkerij letters een tekst produceerden bij het drukken. Het organische templaatmolecuul functioneert als een mal voor de te kristalliseren atomen. Na het self assembly proces waarbij de complexe structuur wordt gevormd kunnen de templaatmoleculen worden verwijderd.

Een ultieme uitdaging is de ontwikkeling van chemische systemen die zich gedragen als een klein fabriekje, b.v. een deeltje als een liposoom van de grootte van een micron of kleiner omsloten door een membraan, dat katalytische functies heeft. In het deeltje kunnen verschillende katalytische componenten worden opgesloten als in een eenvoudige biologische cel. Het gewenste ontwerp is een synthesemethode dat niet alleen complexe deeltjes maakt door self assembly, maar zich zelf ook kan corrigeren voor fouten. Dit kan als het zich zelf door replicatie vermenigvuldigt.

Het gewenste uiteindelijke deeltje is de uitkomst van opeenvolging van complexe chemische reacties , waarbij eenmaal gevormde deeltjes kunnen groeien en delen. Door keuze van templaatmoleculen die gewenst katalysatordeeltje selectief bevoordelen kan een synthese strategie worden ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van methoden die lijken op de evolutie zoals we die kennen in de biologie .

Dit soort nieuwe nog niet ontwikkelde katalytische systemen zijn noodzakelijk voor chemische procestoepassingen waar we nu nog geen antwoord op hebben. Niet alleen zullen veel onverwachte ontdekkingen worden gedaan. Ook zullen veel onverwachte antwoorden worden gevonden over het ontstaan van de prebiotische systemen uit levenloze materie. De oorsprong van het leven is een van de grote openstaande wetenschappelijke vragen.

Maatschappelijk-technologische implicaties

Er is de eerder vermelde technologische uitdaging gelieerd aan de reductie van broeikasgassen. De systemen die hiertoe moeten worden ontwikkeld zullen complex van ontwerp zijn. Verschillende functies zullen in een apparaat moeten worden geïntegreerd met de atomaire precisie zoals eerder besproken.

Chemische systemen, meer efficiënt dan biologische, voor fotosynthese vangen moleculen als koolzuur en water in, licht zal moeten worden omgezet in elektriciteit, koolzuur en water zullen moeten worden omgezet met behulp van katalytische processen. Het eenduidig ontwerp van zo’n complex systeem is met huidige chemische kennis nog niet goed mogelijk. De onder wetenschappelijke uitdaging vermelde complexe maakprocessen moeten hiertoe worden ontwikkeld.

Een werkend systeem zal sensoren hebben die concentraties en spanningen meet in korte tijd en op een precieze locatie . Chemische herkenningstechnieken zijn nodig voor communicatie. Integratie met microcomputers om het totale proces te beheersen is essentieel.

Hierbij zal moeten worden samengewerkt in teams van zeer verschillende achtergrond. Chemici uit verschillend sub-disciplines zullen samenwerken met elektrotechnici, natuurkundigen en informatici. Erkenning van onderzoeksfinancieringsinstanties dat dit alleen mogelijk als op instituutsniveau de ontwikkeling van dit soort complexe systemen wordt georganiseerd is essentieel.


Andere bijdragen in Energie, Klimaat, Leven maken, Scheikunde