Katalysatoren banen de weg naar carbon-free society

Prof.dr.ir. Emiel Hensen - Moleculaire katalyse

Het belang van katalysatoren voor onze samenleving nu en in de toekomst, is nauwelijks te onderschatten. Niet alleen kan de chemische industrie niet zonder katalysatoren, ze zijn ook cruciaal om de overstap te maken van fossiele brandstoffen naar duurzame grondstoffen en processen, zoals biomassa. “De belangrijkste barrières voor het gebruik van biomassa, zijn katalytische barrières”, vertelt prof.dr.ir. Emiel Hensen, hoogleraar moleculaire katalyse. Een inkijkje in zijn werk.

Het grootste deel van het onderzoek van Emiel Hensen (1971) is gericht op duurzaamheid, in de productie van basismaterialen voor de chemische industrie en brandstoffen. Hij maakt chemische processen groener, door het energieverbruik omlaag te brengen en door te zorgen dat er minder afval bij vrijkomt. En, omdat aardolie - de hoofdgrondstof voor brandstoffen en chemicaliën –opraakt en vervuilend is, werkt hij aan het gebruik van grondstoffen die wel duurzaam zijn, zoals biomassa. Ook richt hij zich op tussenoplossingen, zoals het gebruik van aardgas, wat al een stuk duurzamer is dan olie. En, mooier nog, aan het direct omzetten van zonlicht in brandstof. Het instrument dat hij in al die gevallen gebruikt, is de katalyse.

De stille kracht

Katalysatoren zijn  materialen die chemische reacties helpen, zonder er zelf aan deel te nemen. Ze laten de reacties sneller verlopen, bij lagere temperaturen verlopen, of zorgen voor minder afval. “Ik gebruik altijd de analogie van een berg”, vertelt Hensen. “Om erover te gaan kun je over de top reizen, wat veel energie kost, of je kunt proberen een pas te vinden.” De leek kent katalysatoren waarschijnlijk alleen van de driewegkatalysator van de auto, maar de inzet van katalysatoren reikt veel, veel verder. “Katalyse is de stille kracht van de chemische industrie”, stelt Hensen. “Tachtig tot negentig procent van de processen in de chemische industrie maakt gebruik van katalysatoren.”

Karamel

Mensen zelf zitten ook vol katalysatoren: enzymen. “Enzymen zijn de katalysatoren die de biologische processen versnellen. Zoals bij de omzetting van glucose naar brandstof die het lichaam kan gebruiken. Daar spelen heel veel enzymen een rol bij.” Zou je glucose verhitten, dan krijg je karamel, maar de enzymen slagen erin om er nuttige bouwstenen van te maken. Enzymen zijn overigens niet direct het werkterrein van Hensen, maar ze hebben wel een eigenschap waarop chemische (door mensen gemaakte) katalysatoren het nog ruimschoots afleggen: selectiviteit. “Enzymen zijn katalysatoren die een specifieke taak heel erg goed kunnen uitvoeren.” Daardoor zijn de reacties veel schoner en efficiënter. De focus van het katalyse-onderzoek ligt momenteel dan ook op het verbeteren van de selectiviteit van chemische katalysatoren.

Opknippen

Een van de belangrijkste kandidaten voor de vervanging van olie op middellange termijn is tweede-generatie biomassa: houtafval, stro, de oneetbare gedeelten van landbouwgewassen, etc. Materiaal dat in enorme hoeveelheden beschikbaar is of gekweekt kan worden zonder dat het concurreert met de productie van voedselgewassen. Ze bestaan grotendeels uit lignine en cellulose, wat beide polymeren zijn. Hensen en zijn onderzoekers zoeken naar manieren om die twee polymeren elk op te knippen in kleinere bouwstenen waaruit brandstoffen of grondstoffen voor de industrie gemaakt kunnen worden. Ook hier is het uitkijken geblazen dat de cellulose, een glucosepolymeer, niet omslaat in karamel. En de lignine is notoir lastig te kraken, vandaar dat lignine momenteel vooral een restproduct is, dat in gigantische hoeveelheden wordt geproduceerd. Hensen: “Maar je moet ze wel allebei omzetten naar nuttige producten, anders is het economisch niet haalbaar.” Hensen doet dit onder mee in het onderzoeksprogramma CatchBio.

TU/e-tankstation

Lignine is ook de basisstof voor CyclOx, een dieseltoevoeging ontwikkeld aan de TU/e die roetuitstoot flink vermindert. Er loopt een project om CyclOx te gaan produceren op de TU/e, op basis van het houtafval van de universiteit. De daaruit voortkomende brandstof, een mengsel van gewone diesel met CyclOx, moet binnen enkele jaren aan een tankstation op de universiteitscampus te verkrijgen zijn. De groep van Hensen zorgt voor het proces waarmee het houtafval omgezet wordt in brandstof en andere nuttige stoffen.

Zeldzame grondstoffen

Het onlangs gestarte Europese onderzoeksproject NOVACAM, waar Hensen coördinator van is, richt zich ook op biomassa. Een speciaal doel van NOVACAM is om katalysatoren te ontwikkelen die bestaan uit niet-zeldzame grondstoffen. Het nadeel van de generaties katalysatoren tot nu toe is namelijk dat ze vaak bestaan uit zeldzame grondstoffen, zoals het metaal palladium. Die grondstoffen raken uitgeput, worden duurder, en moeten bovendien veelal van buiten Europa worden geïmporteerd.

Hensen past in NOVACAM zijn ‘catalysis by design’-benadering toe. Dat houdt in dat hij katalyseprocessen echt ontwerpt voor hun taak. “Er is nog te veel ‘trial and error’ in de ontwikkeling van katalysatoren.”

Zonnebrandstoffen

Energie uit hernieuwbare plantaardige bronnen is mooi, maar nog mooier is het om zonlicht direct om te kunnen zetten in chemische verbindingen, in direct bruikbare brandstof. Net zoals planten met fotosynthese suikers maken uit kooldioxide en water. Ook hiervoor zijn katalysatoren cruciaal. En omdat de omzetting van zonlicht naar brandstof geheel nieuw is, zijn er ook nieuwe katalysatoren nodig. Voorlopig zijn deze ‘zonnebrandstoffen’ nog toekomstmuziek, maar in het onderzoek van Hensen worden de eerste stappen al gezet. Een daarvan is het direct ontleden van water met zonlicht, zonder eerst elektriciteit te maken. Lees meer over deze onderzoekslijin in Slash, het relatiemagazine van de TU/e.

Duur

De meeste vindingen die Hensen doet, zijn niet snel terug te zien in de praktijk. “Wij ontwikkelen de katalysatoren, maar niet de reactoren. Die moeten daarna nog ontwikkeld worden. Als ik iets nieuws gemaakt heb, duurt het nog tien jaar voordat het echt werkt.” En dan moet het wel iets nieuws zijn dat een flinke verbetering oplevert. “Twintig procent verbetering is niks. Een bedrijf moet er zijn hele installaties op aanpassen en dat is enorm duur.”

Suikerriet

Een proces waar nog veel te winnen valt, is de productie van bio-ethanol uit suikerriet. Hensen: “Brazilië is ’s werelds grootste producent van biobrandstof. Dat doen ze door de glucose te vergisten, met enzymen. Die chemische route is zeer langzaam en inefficiënt, er gaat veel energie bij verloren. Wij willen met chemische katalysatoren een heel andere route ontwerpen. De eerste stappen daarin hebben we al gezet.”

Sterke chemische industrie

De expertise van de groep van Hensen zit vooral in het modelleren hoe moleculen op katalytische oppervlaktes worden omgezet. Het is een flinke groep, zo’n 45 mensen groot. De financiering daarvoor komt voor 60 procent van de industrie, vertelt Hensen. Denk aan bedrijven als Shell, DSM, en Sasol. Hensen is voorzitter van het Netherlands Institute for Catalysis Research, waarin alle Nederlandse onderzoeksgroepen op gebied van katalyse zijn verenigd. En dat zijn er nogal wat. “Negen van de dertien universiteiten hebben een katalysegroep. Het gaat om een verband met in totaal dertig tot veertig hoogleraren en 300 tot 400 onderzoekers. Dat is historisch bepaald; Nederland heeft traditioneel een sterke chemische industrie.”

Wetenschappelijke nieuwsgierigheid

De hoofdmoot van Hensens onderzoek is gericht op grote maatschappelijk kwesties: bijdragen aan de energietransitie, aan een carbon-free society. Maar de nieuwsgierigheid van de wetenschapper stelt heel andere vragen. “Katalysatoren veranderen tijdens chemische reacties, dat weten we. Maar hoe, daar weten we weinig van. Dat willen we in beeld krijgen; beschrijven wat er gebeurt en daarmee dynamisch gedrag kunnen voorspellen.” Zodat hij katalytische processen nog gerichter kan ontwerpen.

Terug naar het overzicht