Nieuwe katalysatoren maken efficiënt gebruik van edele metalen

Nanowetenschappers van de Universiteit Utrecht hebben een nieuwe en veelbelovende manier bedacht om katalysatoren te maken waarbij de benodigde hoeveelheid edelmetalen met een factor 10 wordt verminderd. Die edelmetalen zijn schaars, maar essentieel in veel bestaande en toekomstige duurzame chemische processen. De publicatie verscheen op 8 juli in Wetenschap.

Edelmetalen zoals platina worden veel gebruikt in de industrie en in het dagelijks leven. De meest bekende toepassing is momenteel in de uitlaatgaskatalysator van auto’s om de verbrandingsgassen van de motor te reinigen. Maar ook in de toekomst zullen edelmetalen nodig zijn om tot een duurzamere samenleving te komen, bijvoorbeeld voor de productie en consumptie van waterstof, een belangrijke energiedrager van de toekomst.

Maar de hoeveelheid edele metalen in de wereld is zeer beperkt, dus het is een grote uitdaging om de benodigde hoeveelheden te verminderen. doctoraat onderzoeker Luc Smulders van het Debye Institute for Nanomaterials Science aan de Universiteit Utrecht zegt dat “de wereldvoorraad platina wordt geschat op 70.000 ton, dat is ongeveer 10 gram per wereldinwoner. Eén brandstofcel in een auto om elektrische stroom te produceren uit waterstof voor de elektromotor heeft al zo’n 10 gram platina nodig. Dat geeft een gevoel van de noodzaak om platina zo effectief mogelijk te gebruiken.”

Met precisie platina op zeoliet aanbrengen

Samen met een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan hetzelfde instituut, Kang Cheng, onderzocht Smulders, onder supervisie van emeritus hoogleraar Krijn de Jong, hoe platina zo effectief mogelijk kan worden gebruikt in katalysatoren. De Jong zegt dat “de katalysatoren in dit onderzoek twee actieve functies bevatten, namelijk een metaal-platina- en een zuurfunctie-een zeoliet. Klassiek wordt het edelmetaal gespaard door de platinadeeltjes zo klein mogelijk te maken. Zulke kleine deeltjes, ook wel nanodeeltjes genoemd, hebben een grotere verhouding van oppervlakte per volume-eenheid.”

De Utrechtse chemici zijn nu een heel andere weg ingeslagen. Met behulp van speciale synthesetechnieken hebben ze de platinadeeltjes nauwkeurig gepositioneerd ten opzichte van ander actief materiaal dat in de katalysator aanwezig is. Smulders zegt dat “meestal de nanodeeltjes in katalysatoren willekeurig over het materiaal worden verdeeld. We ontdekten dat het katalytische effect van platina net zo goed is – en veel minder nodig is – als het alleen op het oppervlak van de zeolietkristallen wordt aangebracht, in plaats van in of naast de zeoliet.”

Op industriële schaal binnen twee jaar

De Jong zegt dat “dit betekent dat er slechts een tiende van de hoeveelheid platina nodig is zonder de prestaties van de katalysator aan te tasten.” Het werk is daarmee een doorbraak om edelmetalen vele malen efficiënter in te zetten in katalysatoren, en mogelijk ook in andere toepassingen die essentieel zijn voor een duurzamere samenleving. De onderzoekers verwachten dat het binnen één tot twee jaar mogelijk is om de techniek op industriële schaal in bestaande processen toe te passen.