Het is een stevige belofte die het CATLight-project doet: ‘Radicaal nieuwe katalytische materialen met bijhorende reactoren ontwikkelen met plasmonische systemen’. Een consortium van AMOLF (onderdeel van NWO), Universiteit Utrecht en diverse industriële partners, waaronder BASF, kreeg onlangs 1,9 miljoen euro toegekend van NWO voor het voorstel om licht te gaan gebruiken voor het sturen van katalytische reacties.

De chemische reactoren waar het om gaat zijn echte reactoren die lijken op wat in de industrie al gangbaar is, zegt Bert Weckhuysen, hoogleraar katalyse aan de Universiteit Utrecht en een van de aanvragers. Het is dus fundamenteel onderzoek met de toepassing in gedachten. Het project moet een modelreactor opleveren voor drie belangrijke industriële processen: dehydrogenering van propaan, CO-oxidatie en de lastigste: dry reforming van methaan tot synthesegas (zie kader ‘Industriële processen’). “Ik ben erg blij met dit project, omdat het een alternatieve manier is om reactoren te laten werken en te bestuderen”, aldus Weckhuysen.

Extreem lokaal

“Er is veel potentieel om licht te gebruiken in de chemie, en dit is daar een voorbeeld daarvan”, zegt Esther Alarcón Lladó, groepsleider 3D Photovoltaics bij AMOLF en hoofdaanvrager van het project. Simpel gezegd gaat CATLight chemische reacties sturen en tegelijkertijd meten met licht. Maar die omschrijving doet geen recht aan de complexiteit van de plannen. Het gaat om het toepassen van plasmonische systemen (zie kader ‘Plasmonische systemen’), waar AMOLF een expert in is. “Plasmonics is een manier om licht om te zetten naar iets anders, zoals warmte”, vat Alarcón Lladó het samen. Door licht te schijnen op een metaaldeeltje van minder dan 100 nanometer groot, kan extreem lokaal een hotspot worden gemaakt op een oppervlak. Daar kan de temperatuur oplopen naar honderden graden Celsius. Die warmte kan gebruikt worden om chemische reacties te laten plaatsvinden.

Daarnaast is het mogelijk om zo’n hotspot te gebruiken voor metingen. Zo kunnen de onderzoekers met geavanceerde spectrometers en microscopen de hotspots in beeld brengen en precies nagaan welke moleculen zich op het oppervlak bevinden, wat de temperatuur is en welke processen er gaande zijn. Dit alles op nanoschaal. “In een chemische reactor is het belangrijk om de temperatuur overal precies te weten. Dit systeem biedt een betere mogelijkheid daarvoor”, aldus Alarcón Lladó.

Het moet ook mogelijk zijn om heel lokaal de chemische reactie te beïnvloeden door het manipuleren van zo’n hotspot. Door lokaal de temperatuur te variëren kun je bijvoorbeeld de reactie sturen. Dat zou de onderzoekers invloed geven op de uitkomst van het chemische proces.

Zeer compact

Veel is nog onbekend. Een optische vezel (zie kader 'Plasmonische systemen') met daarop de nanodeeltjes en katalysator is nog nooit gemaakt. Hoe vervolgens het licht bij de nanodeeltjes moet komen is ook nog onduidelijk. Deze systemen moeten bovendien de condities in de chemische reactor zoals hoge druk en temperatuur kunnen weerstaan.  Alarcón Lladó: “De uitdaging is om veel katalysatordeeltjes in de reactor te krijgen. Het hele systeem met de optische vezel moet daardoor zeer compact zijn. Hoe krijgen we daar het licht in én weer uit op de juiste plek? Dat is nog nooit gedaan.”

Plasmonische systemen

Achter de term ‘plasmonisch’ gaat een wereld van elektronen en lichtgolven schuil die door hun interactie met heel kleine metaaldeeltjes bijzondere effecten veroorzaken. Die kun je inzetten voor reële toepassingen. Er zijn al plasmonische nanodeeltjes die zonnecellen efficiënter maken en er is onderzoek gaande om plasmonische nanodeeltjes te gebruiken voor kankerbehandelingen.

Een bijzonder effect dat kan optreden in plasmonische systemen is het ontstaan van zogenaamde hotspots op het oppervlak van nanodeeltjes van bijvoorbeeld goud of zilver. Dat werkt zo. In het nanodeeltje bewegen de elektronen vrij rond. Licht dat op het deeltje valt maakt een golfbeweging en neemt daarin de elektronen mee. Die verzamelen zich daardoor op bepaalde plekken op het oppervlak, de hotspots, afhankelijk van de grootte van het nanodeeltje en de golflengte van het licht. Door deze hotspots te manipuleren kunnen de onderzoekers bijvoorbeeld kiezen hoe heet deze worden of welke straling ze uitzenden.

De plasmonische systemen die AMOLF gaat maken in het CATLight-project bestaan uit optische vezels, vergelijkbaar met een glasvezelkabel voor internet. Daarop zitten stekels waarop zich de nanodeeltjes en katalysatordeeltjes bevinden. De optische vezel moet het licht naar de nanodeeltjes leiden waardoor de hotspots zich vormen. De stekels dienen om een groter oppervlak te krijgen waarop nanodeeltjes en katalysatordeeltjes geplaatst kunnen worden.

De onderzoekers gaan in eerste instantie kijken wat er gebeurt in deze materialen als je er licht op schijnt en hoe je dat kunt sturen. Als ze dat onder de knie hebben, zullen ze chemische processen gaan bestuderen in een reactor, die in Utrecht wordt gebouwd.

Weckhuysen heeft er vertrouwen in. “AMOLF is goed in het maken van heel gestructureerde nanodeeltjes, en kan het gedrag daarvan ook controleren. In Utrecht zijn we goed in de miniaturisering van de analyse en het uitvoeren van de katalytische reacties. De proof of the pudding is of je alles bij elkaar kunt brengen in een reactor en ook kunt aansturen.”

Interessant

Zodra een proof of principle is geleverd, willen BASF en andere bedrijven graag meer realistische reactortests doen. Ondanks het fundamentele karakter is de chemische industrie geïnteresseerd en betrokken bij het CATLight-project. Het produceren van basischemicaliën vereist veelal processen bij hoge druk en temperatuur, zoals kraken, maar vereist ook de modelreacties uit dit project. “Je moet de hele reactor verwarmen, vaak met een brandstof die CO₂ produceert”, zegt Peter Berben van BASF. “Als je slim gebruik kunt maken van het plasmonisch effect, in combinatie met een katalysator, om de reactor te verwarmen, is dat voor ons interessant. In theorie hoef je daarmee niet meer de hele reactor op te warmen en bespaar je brandstof.”

Weckhuysen wijst erop dat deze nieuwe methode processen duurzamer maakt. “De grondstoffen worden maximaal gebruikt en er ontstaan dus in principe ook minder bijproducten.” Naast de specifieke modelreacties is de kennis uit het onderzoek voor BASF interessant voor intern onderzoek naar energie-efficiënte processen, zegt Berben. “Dit project past in onze strategie om in 2050 CO2-neutraal te produceren.”

Lasers

Het project laat nog wel een aspect buiten beschouwing. CATLight onderzoekt enkel in theorie hoeveel energie een plasmonische reactor verbruikt in vergelijk met de huidige reactoren. “Het energieverbruik is iets voor een vervolgonderzoek”, zegt Weckhuysen. “Een mooie uitkomst zou een prototype reactor op kleine schaal van enkele liters zijn. Daarvan kunnen we voor de eerste keer goed gaan berekenen wat de opbrengst is. We kunnen dan kijken of het klopt wat we beloven.” Alarcón Lladó: “Deel van het project is wel om te onderzoeken hoeveel efficiënter we kunnen zijn door het gebruik van licht.”

Het licht komt van krachtige lasers en LED-lampen. Het is de bedoeling dat de energie daarvoor uiteindelijk duurzaam wordt opgewekt, en in de toekomst wordt ook gekeken naar direct zonlicht. “Maar we weten nog niet precies hoeveel licht we nodig hebben en hoe we dat allemaal in de reactor gaan krijgen. Dat is onderdeel van het onderzoek”, aldus Weckhuysen.

Industriële processen

Voor CATLight zijn drie industriële processen uitgekozen:

• Dehydrogenering van propaan tot propyleen, een endotherme reactie die bij een temperatuur van 550-650°C plaatsvindt. Dient als modelreactie voor het bewijzen dat het plasmonisch systeem voordeel kan hebben.
• CO-oxidatie voor onder andere katalytische zuivering van uitlaatgassen, belangrijk om de invloed van de temperatuur te bepalen.
• Dry reforming van methaan naar synthesegas (CH₄ + CO₂ → 2 CO + 2 H₂), onder andere interessant omdat het CO₂ verbruikt. De meest complexe reactie van de drie.

CATLight

Het project Steering and sensing sustainable CATalytic reactions with Light (CATLight) zal ‘een geheel nieuwe manier demonstreren om commercieel relevante chemische reacties actiever, selectiever en energiezuiniger te maken’. Hoofdaanvrager is Esther Alarcón Lladó (AMOLF), samen met Bert Weckhuysen van de Universiteit Utrecht en andere onderzoekers van AMOLF en de Universiteit Utrecht. Consortiumpartners zijn BASF, Toyota Europe, DENS Inorganic Chemistry and Catalysis solutions, ExxonMobil, Delmic en Shell. Het project kreeg afgelopen mei € 1,9 miljoen toegekend. Het onderzoek start in september 2022 en loopt vijf jaar.