Groenere chemie dankzij nieuwe benadering van katalyse

Nieuws - 04 januari 2021 - Communication TNW

Onderzoekers in Delft hebben een katalysator ontwikkeld die zelfs in verwaarloosbare hoeveelheden effectief is. De vorm en de robuustheid van de katalysator zorgen ervoor dat deze veel langer meegaat in reacties, waardoor veel energie, afval en kosten kunnen worden bespaard. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

De Delftse onderzoeker Evgeny Pidko en zijn groep kijken op een bijna holistische manier naar chemische reacties met katalysatoren. Deze hulpstoffen spelen een belangrijke rol in het verlagen van de benodigde activeringsenergie voor chemische reacties.

De katalysator is aanwezig in het reactiemengsel, maar is geen onderdeel van de chemische reactievergelijking. In theorie zouden katalysatoren dus eeuwig kunnen werken, maar in de praktijk zien chemici dat ze na verloop van tijd minder actief worden. Hierdoor is er een grote hoeveelheid van de katalysator nodig om het reactieproces soepel te laten verlopen. De hulpstoffen moeten vervolgens weer uit het reactiemengsel gezuiverd worden, wat een intensief, kostbaar en vervuilend proces is. Voor de fijnchemische en farmaceutische industrie is het niet ongewoon dat de productie van één kilo van het benodigde product resulteert in ongeveer vijftig kilo afvalproducten. Er is dus veel aan gelegen om dit soort chemische processen te verduurzamen. 

Er is slechts 30 mg van de nieuwe katalysator nodig om 1 kg substraat om te zetten.

Geboorte en dood
De belangrijkste vraag voor het team van Pidko is: Onder welke omstandigheden worden katalysatoren actief en waarom vergaan ze? Pidko: ‘Eigenlijk volgen we het leven van een katalysator van zijn geboorte tot aan zijn dood.’ Dit onderzoek heeft nu geleid tot de ontdekking van een nieuwe hulpstof, die ongekend efficiënt is. Zelfs met homeopathische hoeveelheden ervan blijft de reactie goed verlopen. In het onderzoek werkten de chemici met een mangaan katalysator, die moleculen hydrogeneert. Dat wil zeggen dat een dubbele verbinding in het molecuul wordt verbroken en waterstof op die plek in het molecuul komt. Deze reactie wordt vooral ingezet bij het verharden van oliën en vetten.

Pidko: ‘Om de katalysator effectiever te maken, zijn we gaan sleutelen om zo meer bindingsplekken per molecuul te creëren. Toen merkten we dat de reactie opeens stukken beter verliep.’ Met behulp van spectroscopie zagen de onderzoekers dat de nieuwe katalysator ideale eigenschappen vertoont. In geactiveerde toestand opent het zich om de vereiste reactie aan te drijven. In rusttoestand sluit de katalysator zijn pincet-achtige armen, wat het actieve deel beschermt. Het onderzoek van het team van Pidko laat zien dat de katalysator tot wel 200.000 ‘cycles’  gebruikt kan worden. Pidko: ‘Zelfs bij temperaturen van 120 °C valt hij niet uit elkaar. De werkzaamheid van deze katalysator is zeer uniek.’ In plaats de gebruikelijke 1000 ppm (delen per miljoen) is er van de nieuwe hulpstof bovendien maar 5 ppm nodig. Met zulke minieme hoeveelheden kan de zuiveringsstap die normaal nodig is worden overgeslagen.

Industrie verduurzamen
De ontwikkeling is belangrijk voor het verduurzamen van de chemische industrie, maar kan niet direct op bestaande chemische processen worden toegepast. Daar is verder onderzoek voor nodig. Vooral de benadering van het onderzoek naar katalysatoren is vernieuwend in het veld. Pidko: ‘Door de hele levenscyclus nauwkeurig te volgen kunnen we de werking van katalysatoren beter begrijpen. Op die manier kunnen we hopelijk meer van dit soort ‘homeopathische’ katalysatoren ontwikkelen, wat mogelijk voor een revolutie gaat zorgen in de chemische industrie.’ 

Prof. dr. Evgeny Pidko

Drs. Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)

Meer informatie

 
‘Robust and Efficient Hydrogenation of Carbonyl Compounds Catalysed 2 by Mixed Donor Mn(I) Pincer Complexes’, Wenjun Yang, Ivan Yu. Chernyshov, Robin K. A. van Schendel, Manuela Weber, Christian Müller, Georgy A. Filonenko & Evgeny A. Pidko, Nature Communications.

Paper