Kunststof uit de allesbrander

Chemie Met een nieuwe katalysator maken Utrechtse chemici in één stap de grondstoffen van plastics en veel andere chemicaliën. Wim Köhler

Chemisch ingenieur Hirsa Torres had twee potten ammoniumijzercitraat. Maakte ze de katalysator waar ze promotieonderzoek aan doet met de stof uit de ene pot, dan werkte die fantastisch. Met materiaal uit de andere pot werd het steeds niks.

Veel proeven en chemische analyses later bleek de ene pot spoortjes zwavel en natrium te bevatten. “Die twee elementen waren onmisbaar”, zegt Torres. De verontreinigde pot leverde de perfecte katalysator.

“Serendipiteit”, noemt haar promotor Krijn de Jong dat. “Een onverwachte vondst door een voorbereide geest.” De katalysator die Torres maakte was van te voren grotendeels rationeel ontworpen. Alleen de benodigde spoortjes zwavel waren niet bedacht en zorgden voor veel hoofdbrekens.

Vrijdag verscheen het Science-artikel met Torres als eerste auteur en De Jong als laatste. Onderzoekfinancier NWO heeft een octrooi aangevraagd. De Jong is hoogleraar anorganische scheikunde en katalyse aan de Universiteit Utrecht.

Een katalysator is een stof die een chemische reactie versnelt en vaak een bepaalde kant uitstuurt, zonder daarbij zelf te worden verbruikt. De katalysator die de chemici in Utrecht maakten kan biomassa, gas of olie – om het even wat – omzetten in felbegeerde basisgrondstoffen voor de chemische industrie. Vanwege de bruikbaarheid van biomassa als grondstof staat in de titel van de Science-publicatie dat de Utrechtse katalysator geschikt is voor de ‘duurzame productie van lichte olefinen’.

Lichte olefinen, dat zijn ethyleen, propyleen en butyleen. Ze bevatten respectievelijk twee, drie en vier koolstofatomen, met één dubbele koolstofbinding. Zo’n dubbele binding is een makkelijk aangrijpingspunt voor chemische reacties. Lichte olefinen zijn daardoor gewilde grondstoffen voor plastics en duizenden andere chemicaliën, waaronder geneesmiddelen, zepen en cosmetica.

De afgelopen vijftig jaar werden die lichte olefinen vooral uit aardolie gemaakt. De petrochemische industrie scheidt ruwe aardolie in fracties die worden gekenmerkt door de lengte van de koolstofketens in de moleculen. Nafta is de lichtste fractie, maar die moleculen (5 tot 8 koolstofatomen lang) moeten toch nog worden gesplitst (‘gekraakt’ in petrochemische termen) om er lichte olefinen van te maken.

Syngas

“In de toekomstige wereld waarin de aardolie op is, of erg duur, of waarin je duurzamer producten wilt maken gaat synthesegas een grote rol spelen als grondstof voor diesel, benzine en waarschijnlijk ook olefinen”, zegt De Jong. Synthesegas – syngas is de vakterm – bestaat uit koolmonoxide (CO) en waterstof (H2), gemaakt door het zuurstofarm verbranden van steenkool, aardgas of biomassa.

Syngas is populair. Shell bouwt in Qatar voor 19 miljard dollar een fabriek die benzine en diesel maakt uit syngas. Het syngas wordt er gemaakt van aardgas. Om nog een vakterm te gebruiken, de techniek valt onder het begrip GTL: Gas To Liquids.

Het chemische proces stamt van de Duitse chemici Franz Fischer en Hans Tropsch die in de jaren twintig van de vorige eeuw benzine maakten uit synthesegas dat ze verkregen door het vergassen van steenkool. In de Tweede Wereldoorlog reden de Duitse auto’s op deze brandstof omdat Duitsland vrijwel geen aardolie kon aanvoeren. Later gebruikte vooral Zuid-Afrika, tijdens het apartheidsregime gehinderd door een olieboycot, het proces.

XTC

Wie geen brandstof maar chemicaliën wil maken, het liefst de gewilde lichte olefinen, bedrijft geen GTL, maar Anything To Chemicals, ofwel XTC. De Jong en Torres kunnen er wel om lachen. Op industriële schaal gebeurt XTC door eerst gewoon de lange moleculen (benzine en diesel) te maken, om die vervolgens tot korte moleculen te ‘kraken’.

“Ja, dat gebeurt”, zegt De Jong. “Het is vreemd om van CO eerst lange moleculen te maken en die dan weer te kraken, maar het is een van de tweestapsreactiewegen die nu in gebruik is. Wij wilden die tussenstap elimineren en een katalysator maken die in één stap van syngas een commercieel aantrekkelijk mengsel van lichte olefinen maakt. Dat kan de productie van bulkchemicaliën uit biomassa flink verbeteren.”

De lange koolstofketens van benzine en diesel ontstaan wel in één stap uit syngas in het Fischer-Tropschproces. De katalysator bevat dan meestal het metaal kobalt.

De Jong: “Als je de kortere ketens van de lichte olefinen wilt krijgen moet je onder andere omstandigheden werken. IJzer is dan de traditionele katalysator. Daar hebben wij veel ervaring mee. IJzer onderdrukt bijvoorbeeld de vorming van het vervelendste bijproduct: methaan.”

Maar ijzerkatalysatoren hebben ook problemen. Torres somt ze op: “Om de opbrengst van lichte olefinen zo hoog mogelijk te krijgen moet je de reactie bij hoge temperatuur uitvoeren. Boven de 300 graden. De katalysator ‘klontert’ dan snel en er ontstaat een andere reactie waarbij de koolstofmonoxide uit het syngas wordt omgezet tot koolstofvezel.”

De Jong legt het rationele ontwerp van hun katalysator uit: kleine, goed verspreide nanodeeltjes ijzer moesten de clustering van ijzer tegengaan. De kleine ijzerkorreltjes moesten ‘mild’ aan een dragermateriaal binden, zodat ze een stevige binding met het koolmonoxide (CO) uit syngas aan konden gaan. Het dragermateriaal is dus ook belangrijk. Torres en De Jong kwamen uit op koolstof-nanobuisjes, of – iets minder geavanceerd, maar bruikbaarder in bestaande industriële processen – een bepaald type aluminiumoxide.

Dat ontwerp bleek geen garantie voor succes. De goede verdeling van de ijzernanodeeltjes op de katalysator maken de Utrechtse chemici door – simpel gezegd – een oplossing van ammoniumijzercitraat op het dragermateriaal te laten indampen. De ene keer gaf zo’n katalysator een mooie opbrengst. In een volgend experiment was het weer niks. Het toeval moest een handje helpen. Torres: “Een beetje zwavel tussen de ijzeratomen bleek onmisbaar om de vervelende methaanproductie echt laag te houden.”

    • Wim Köhler