Zonder katalysatoren zouden we niet kunnen leven. Onze spijsvertering kan namelijk niet zonder enzymen - complexe eiwitten die in ons spijsverteringskanaal helpen energie en bouwstoffen uit ons voedsel te halen. En enzymen voldoen prima aan de definitie van een katalysator: ze versnellen een reactie zonder dat ze hierbij zelf verbruikt worden.

Toch is de term katalyse vooral bekend uit de chemie. Of een bepaalde stof tegen een aanvaardbare prijs kan worden geproduceerd, is vaak grotendeels afhankelijk van de beschikbaarheid van een goede katalysator: bij maar liefst negentig procent van alle chemische processen vormen katalysatoren een essentieel ingrediënt. En brandstoffen maken zonder katalysator lijkt al helemaal onmogelijk.

De zoektocht naar het juiste moleculaire oliemannetje om een chemische reactie te smeren begint op het niveau van nanometers - de grootte van de katalytische moleculen zelf. Met wat kwantumchemie en een snelle computer kun je het gedrag nabootsen van potentiële katalytische materialen, zoals metaal(nano)deeltjes. Maar daarmee ben je er nog niet. Dat met behulp van een katalysator twee moleculen samen een nieuw molecuul kunnen vormen, of een groter molecuul juist in twee of meer delen gesplitst kan worden, wil nog niet zeggen dat de katalysator ook op industriële schaal efficiënt werkt. Dat laatste is het domein van de procestechnologen, met hun analyses van gas-, en vloeistof- en deeltjesstromen in tientallen meters hoge reactoren.

Aan de TU/e worden katalysatoren bestudeerd in de groep Molecular Catalysis van emeritus-hoogleraar Rutger van Santen en prof.dr.ir. Emiel Hensen, terwijl de procestechnologie het domein is van de groepen Chemical Reactor Engineering van prof.dr.ir. Jaap Schouten en Multi-phase Reactors van prof.dr.ir. Hans Kuipers. Om efficiëntere chemische processen te ontwikkelen, met name met de productie van duurzame energiedragers in het achterhoofd, moeten de werelden van de katalyse en procestechnologie bij elkaar worden gebracht, vertelt Hensen. “Het zijn nu nog relatief gescheiden vakgebieden, omdat wij katalyse bestuderen op moleculair niveau en de daarbij horende korte tijdschalen, terwijl in reactoren veel grotere lengte- en tijdschalen een rol spelen.”

Het ultieme doel is nanodeeltjes en reactoren koppelen

Het ultieme doel van het nieuwe Netherlands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion (MCEC), waarvoor NWO bijna 32 miljoen euro beschikbaar stelt, is dan ook om het gat te dichten tussen de nanodeeltjes van Hensen en de reactoren van Kuipers en zijn collega’s. “Hans bestudeert hoe de chemische stoffen die met elkaar moeten reageren door de reactoren bewegen”, noemt Hensen als voorbeeld. “In zijn modellen wordt de chemische reactiviteit echter niet meegenomen, terwijl wij die reactiviteit op nanoschaal wel kunnen beschrijven, maar niet weten hoe dit op reactorschaal uitwerkt. Het is heel spannend om te proberen die twee dingen te koppelen.”

Behalve de TU/e zijn ook de Universiteit Twente en de Universiteit Utrecht in gelijke mate betrokken bij het nieuwe centrum, wat betekent dat elke universiteit de komende tien jaar ruim tien miljoen euro mag besteden. De Utrechters hebben zich gespecialiseerd in de tussenliggende lengteschalen, en in Twente zijn ze sterk in de analyse van vloeistofstromingen en nanogestructureerde (katalytische) materialen. Samen hopen de aanvragers het hele spectrum, van atoom tot reactor, te bestrijken.

Inzet op schone verwerking van fossiele bronnen, biomassa en zonnebrandstoffen

Om de wereld ook de komende decennia van betaalbare grond- en brandstoffen te voorzien, zet het MCEC vooral in op de schone verwerking van fossiele bronnen, biomassa en zonnebrandstoffen. Een van de concrete doelstellingen van MCEC is om een zogeheten demonstrator te ontwikkelen waarmee ‘solar fuels’ kunnen worden gemaakt.

“De komende decennia zullen we nog grotendeels afhankelijk zijn van fossiele bronnen”, legt Kuipers uit. “We moeten daarom blijven werken aan wat we ‘schoon fossiel’ noemen.” Daarna is volgens hem waarschijnlijk energie uit biomassa nodig tot we in staat zijn om vloeibare brandstoffen te maken met pure zonne-energie. Zowel voor het omzetten van biomassa in bruikbare brandstoffen als voor het opslaan van zonlicht in een zonne-brandstof moeten nog katalysatoren worden gevonden.

Onder meer voor de zoektocht naar dergelijke katalysatoren (en naar een bijbehorende reactor om ook op industriële schaal zonlicht op te slaan in een zonnebrandstof) worden de komende tien jaren binnen MCEC maar liefst 64 promovendi ingezet. Meer dan twintig hiervan zullen in Eindhoven aan de slag gaan, een mooie steun in de rug voor de Strategic Area Energy. Het opleiden van wetenschappelijk talent is ook een nevendoelstelling van het nieuwe centrum, zegt Kuipers. “We gaan een nieuwe generatie onderzoekers naar het front van de wetenschap brengen. En daar zullen we langer dan tien jaar de vruchten van plukken.”

Vici van anderhalf miljoen voor Emiel Hensen

Voor Emiel Hensen zijn het goede tijden. Betekende de toekenning van de Zwaartekrachtsubsidie voor het Netherlands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion al een flinke impuls voor het onderzoek van de hoogleraar Moleculaire Katalyse, daar bovenop kreeg de hoogleraar Moleculaire Katalyse van NWO vorige week ook nog een prestigieuze Vici-subsidie van anderhalf miljoen euro. Met dat geld wil hij de komende vijf jaar de invloed onderzoeken van het dragermateriaal waarop katalytische nanodeeltjes vaak zijn bevestigd.

Om in de reactor een zo groot mogelijk contactoppervlak te creëren tussen reagerende stoffen en de katalysator, wordt laatstgenoemde vaak in de vorm van nanodeeltjes aangebracht op een poreus dragermateriaal. De aanwezigheid van het dragermateriaal heeft in veel gevallen een aanzienlijke invloed op de werking van de katalysator. Die invloed kan negatief zijn, maar ook positief: soms vindt de reactie juist het best plaats op het grensvlak tussen dragermateriaal en nanodeeltje. Hensen zal zich vooral richten op de rol van dragermaterialen bij het zuiveren van uitlaatgassen en het splitsen van water met behulp van zonlicht.