BETERE INDUSTRIËLE PROCESSEN DOOR FUNDAMENTEEL INZICHT

Heterogene katalyse - het versnellen van chemische reacties aan een oppervlak - heeft soms meer weg van alchemie dan van scheikunde. Hoewel met name in de petrochemische industrie katalysatoren niet meer weg te denken zijn, begrijpen we in veel gevallen niet precies waarom ze werken.

Daarom is het vaak een kwestie van toeval als er weer eens een verbeterde 'kat' wordt geïntroduceerd. Toch zijn er de laatste tien jaar wel degelijk vorderingen gemaakt. De mogelijkheid om het oppervlak waar de reacties zich afspelen in beeld te brengen en om reacties theoretisch door te rekenen hebben het inzicht in katalytische processen vergroot. Wat tot nu toe grotendeels ontbrak was de volgende stap: het verbeteren van een katalysator op grond van dat veelal op modelsystemen verkregen inzicht. Deense onderzoekers hebben onlangs echter laten zien dat ook dat tegenwoordig tot de mogelijkheden behoort (Science, 20 maart 1998).

De Denen onderzochten de katalysator die in aanwezigheid van stoom zorgt voor de vorming van koolmonoxide en waterstof uit lichte koolwaterstoffen als methaan en butaan. In deze katalysator is het metaal nikkel het actieve element. Dat zorgt echter tegelijk ook voor problemen, omdat het de vorming van grafiet bevordert. En wanneer dat eenmaal het oppervlak bedekt, is het uit met de reactiviteit. Daarom wordt in de praktijk een beetje waterstofsulfide toegevoegd, dat de katalysator weliswaar vergiftigt, maar de grafietreactie veel sterker beïnvloedt en daardoor toch tot een verbetering leidt.

Bekend was dat de aanwezigheid van een tweede metaal aan het oppervlak soms tot verrassende verbeteringen kan leiden. De Denen onderzochten daarom het effect van de aanwezigheid van goudatomen. Hun theoretische berekeningen wezen er op dat nikkelatomen met een goudatoom als naaste buur minder goed in staat zijn om koolwaterstoffen te ontdoen van hun waterstofatomen. Dat leek ongunstig, want het betekent dat de katalysator wat minder reactief is. Veel belangrijker was echter dat het zo uiteindelijk gevormde koolstof zich helemaal niet thuis bleek te voelen als ook goud aanwezig is. Daardoor wordt er veel minder snel grafiet gevormd. De katalysator is dus wél beter bestand tegen vervuiling. Beide theoretische resultaten konden experimenteel worden bevestigd, zij het dan voor modelsystemen.

De Denen gingen nu wel een stap verder. Zij bereidden een praktisch toepasbare katalysator mét en zonder goud. En waar de nikkel-kat snel zijn activiteit verloor, bleef de nikkel-goud-kat actief. Het begint er dus op te lijken dat fundamentele inzichten voor het eerst echt gebruikt kunnen gaan worden voor de verbetering van industriële processen.