Dat duivelse oppervlak; ONDERZOEK HETEROGENE KATALYSE GEDIJT HET BEST IN GROTE GROEPEN

In de heterogene katalyse gaat het om het versnellen van chemische reacties. Aan de tu Eindhoven is Rutger van Santen de specialist. 'God schiep de materie, maar de duivel het oppervlak.'

DE EINDHOVENSE chemicus Rutger van Santen, sinds 1988 na een carrière op het laboratorium van Shell in Amsterdam aan de Technische Universiteit verbonden, is specialist in heterogene katalyse. Deze tak van de scheikunde onderzoekt reacties die zich aan het oppervlak van een vaste stof afspelen onder invloed van een katalysator: een stof die de reactie versnelt zonder daarbij zelf te veranderen. Het bekendste voorbeeld is de katalysator die in auto's uitlaatgassen reinigt.

Van Santen voorspelt met quantumchemische berekeningen de reactiviteit van verbindingen, uitgaande van hun chemische samenstelling en hun structuur. Daarnaast beschikt hij, zowel in zijn eigen groep als via externe contacten, over een groot aantal experimentele technieken om katalysatoren te onderzoeken en te karakteriseren. Maar Wolfgang Pauli zei het al: 'God schiep de materie, maar de duivel het oppervlak.'

Uiteindelijk moeten experimenten - waarbij op een tijdschaal van miljoensten van miljardsten van seconden kan worden gekeken - ook op praktijksystemen worden uitgevoerd. Van Santen: “De afgelopen paar jaar hebben we veel werk gestoken in de omzetting van methanol naar benzine, een proces van Mobil. We kunnen nu het hele reactiemechanisme beschrijven en de katalytische reactiecyclus voorspellen. Ook hebben we gerekend aan een vergelijkbare reactie, die van methanol naar ether. Na ruim twee jaar hadden we een goede oplossing. We doen in onze groep voor een kwart theorie en voor driekwart experiment, alleen in combinatie kwamen we eruit.”

Hoe lost hij de problemen op waar dat duivelse oppervlak hem voor stelt? Van Santen: “We snijden een een klompje atomen uit de vaste stof en gaan daaraan rekenen. Omdat eigenschappen ook in werkelijkheid sterk lokaal bepaald zijn, is dat geoorloofd. Als je effect van de omgeving begrijpt, kun je bijvoorbeeld het gedrag van verschillende zeolieten - een soort moleculaire zeven - helemaal begrijpen. Voor andere olie-gerelateerde processen, zoals het Shell Hysomerproces dat producten met een hoger octaangetal oplevert, hebben we na flink doorrekenen de reactiesnelheden en concentraties in de reactor weten te voorspellen.”

Het moleculaire inzicht in de werking van katalysatoren mag enorm zijn toegenomen, er is nog veel trial-and-error in het spel. Het gaat volgens Van Santen dan alleen om de allereerste, exploratieve fase. “Ben je daar voorbij en heb je een enigszins werkend systeem in handen, dan kun je veel sneller dan vroeger inzicht krijgen in de achterliggende mechanismen, zodat je het doelgericht kunt verbeteren.”

Van Santen gelooft heilig in de toegevoegde waarde van grootschalige samenwerkingsverbanden. “Competitie is goed voor kwaliteitsverhoging, maar kan ook iets vernietigends hebben omdat het de beschikbare resources te veel versnippert. Dat betekent niet dat je niet gelooft in de dynamiek van de kleinere groepen, en ook niet dat je een of andere autoritaire directeur moet hebben. Eerder moet je denken aan een verstandige research manager, zoals je die ook ziet binnen de grote industriële bedrijven. Je moet mensen de kans geven zich te ontplooien.”

Aan belangstelling voor het onderzoek in de heterogene katalyse heeft het nooit ontbroken. Van Santen krijgt steun van overheid èn bedrijfsleven. “Dan is het een voordeel als je groep groot is, als je theorie en experiment kunt combineren, als je zowel de bereiding van katalysatoren als het uiteindelijke reactoronderzoek kunt doen aan dezelfde systemen. Dat is een zwak van het Amerikaanse systeem, binnen het universitaire onderzoek is het daar moeilijk onderwerpen aan te pakken waarbij je met een team aan verschillende facetten van hetzelfde probleem werkt. Je moet een balans vinden tussen wat wetenschappelijk interessant is en wat maatschappelijk uitstraling heeft. Dat vraagt om een moderne manier van bedrijfsvoering, die veel verder gaat dan de radencultuur waarin de universiteit verstrikt was geraakt. Dat was het eerste dat me opviel toen ik van Shell bij de universiteit kwam. Er was geen samenhang, geen strategie.”

Toch zou Van Santen niet meer terug willen. Overal reduceren internationale industriële bedrijven de budgetten voor onderzoek en ontwikkeling. Veel eigen researchgroepen worden opgeheven omdat het goedkoper is het werk aan universiteiten te laten uitvoeren. Van Santen: “Het meeste onderzoek dat uit de industrie hier komt, is zeer interessant. Men wil gebruik maken van onze specialistische apparatuur, onze expertise benutten. In mijn geval wordt bijna al het uit de industrie afkomstige geld ingezet voor het meest fundamentele werk wat we doen. En dat in een exploratieve context: 'laten we eens zien of het wat is' en niet: 'morgen moet het gerealiseerd zijn'. Als het past binnen de plannen voor het onderzoek van jouw groep, dan is daar niets verkeerds aan.”

Dat een situatie zou kunnen ontstaan waarin universiteiten aan de leiband lopen van de industrie, is voor Van Santen geen optie. “We kunnen allemaal bij NWO terecht. Veel politici realiseren zich niet hoe zorgvuldig die beoordelingsprocessen verlopen. Uiteindelijk mag de politiek er best een stem in hebben, daar heb ik geen bezwaar tegen. Als je over publiek geld praat, dan moet dat kunnen.”

Maar hoe zit het met werk waarvan de implicatie op langere termijn niet duidelijk is? Dat type onderzoek is uiterst kwetsbaar geworden, constateert Van Santen. “Geld daarvoor moet helaas uit schoenendozen bijeen gesprokkeld worden. Maar juist grotere verbanden kunnen eenlingen, die we ook hard nodig hebben, bescherming geven.”

NUCHTER

Binnen de industrie is voor hen nauwelijks plaats meer. Van Santen is daar nuchter over. “De industrie heeft zijn eigen rol in het genereren van welvaart. Als dat gebeurt aan de hand van veel research is dat prachtig, maar als het anders loopt is dat niet de fout van de industrie. Wel rijst de vraag hoe we aan nieuwe technologie en nieuwe welvaart-genererende middelen voor de komende twintig tot dertig jaar komen. De risico's die aan nieuwe ontwikkelingen verbonden zijn, zullen sterker bij de onderzoekers zelf komen te liggen, hun activiteiten moeten wat meer entrepreneurial worden. Zelfs binnen de heel grote bedrijven was dat tot kortgeleden lang niet altijd het geval, er was behoorlijk wat verstarring. Wij als onderzoekers moeten meer ideeën aandragen die wel overtuigend zijn.”

Onderzoekers zullen hun resources moeten verleggen. Van Santen: “Je moet voortdurend proberen op te schuiven in de richting van nieuwe paradigma's, niet altijd het vakgebied blijven verdedigen waar je goed in bent. Dat opschuiven heeft ons naar bio-geïnspireerde wetenschap geleid, naar complexe systemen met zelforganisatie en zelf-replicatie. Zo ben ik nu hard bezig met de oxidatie van ammoniak. De grote drijfveer - zoals achter zoveel onderzoek in de heterogene katalyse - zijn milieutoepassingen: het schoonmaken van water, het verwijderen van ammoniak, nitraat, chloraat, gefluorideerde verbindingen, anorganische materialen, noem maar op.”

Biotreatment is niet altijd een oplossing. Van Santen: “Een beperking is dat alles bij milde condities moet geschieden. Daardoor is de efficiëntie laag en zijn grote volumina nodig bij de omzettingen. Verder produceren bioprocessen geweldig veel afval, je hebt enorme hoeveelheden bacteriën nodig. Als je in je proces iets in temperatuur omhoog kan in de vorm van biomassa, en je kan hetzelfde als een enzym, dan zijn efficiëntere, kleinere reactoren mogelijk en heb je veel gewonnen.”