Het is een stevige belofte die het CATLight project doet: "Radicaal nieuwe katalytische materialen met bijhorende reactoren ontwikkelen met plasmonische systemen." Een consortium van AMOLF, de Universiteit Utrecht en diverse industriële partners waaronder BASF, kreeg onlangs 1,9 miljoen euro subsidie toegekend van NWO voor hun voorstel om licht te gaan gebruiken om katalytische reacties te sturen.
De chemische reactoren waar het om draait zijn echte reactoren die lijken op wat in de industrie al gangbaar is, zegt Bert Weckhuysen, hoogleraar katalyse aan de Universiteit Utrecht en een van de aanvragers. Het is dus fundamenteel onderzoek met de toepassing in gedachten. De uitkomst van dit project moet een modelreactor zijn voor drie belangrijke industriële processen, namelijk dehydrogenering van propaan, CO-oxidatie en de lastigste van de drie: dry reforming van methaan tot synthesegas. "Ik ben erg blij met dit project omdat het een alternatieve manier is om reactoren te gaan laten werken en bestuderen," zegt Weckhuysen. "Er is veel potentiëel om licht te gebruiken in de chemie. Dit is daar een voorbeeld van," zegt Esther Alarcón Lladó, groepsleider 3D Photovoltaics bij AMOLF en hoofdaanvrager van het project.

Licht omzetten
Heel simpel gezegd gaat CATLight chemische reacties sturen en tegelijkertijd meten met licht. Maar die omschrijving doet geen recht aan de complexiteit van de plannen van de onderzoekers.
Het gaat om het toepassen van plasmonische systemen (zie kader) waar AMOLF een expert in is. "Plasmonics is een manier om licht om te zetten naar iets anders zoals warmte," zo vat Alarcón Lladó het samen.
Door licht te schijnen op een metaaldeeltje van minder dan 100 nanometer groot kun je extreem lokaal een hotspot maken op een oppervlak. Op die plek kan de temperatuur oplopen naar honderden graden celsius. Die warmte kun je gebruiken om chemische reacties te laten verlopen.
Daarnaast is het mogelijk zo'n hotspot te gebruiken voor metingen. Zo kunnen de onderzoekers met geavanceerde spectrometers en microscopen de hotspots in beeld brengen en precies nagaan welke moleculen op het oppervlak zitten, wat de temperatuur is en welke processen daar gaande zijn. Dat alles op nanoschaal. "In een chemische reactor is het belangrijk om de temperatuur overal in de reactor precies te weten. Dit systeem biedt een betere mogelijkheid daarvoor," zegt Alarcón Lladó.
Tot slot moet het ook mogelijk zijn, denken de onderzoekers, om heel lokaal de chemische reactie te beïnvloeden door het manipuleren van zo'n hotspot. Zo kun je bijvoorbeeld de reactie sturen door lokaal de temperatuur te variëren. Dat zou de onderzoekers invloed geven op de uitkomst van het chemische proces.

Uitdagingen
Er is nog veel onbekend. Een optische vezel met daarop de nanodeeltjes en katalysator is nog nooit gemaakt. Hoe vervolgens het licht bij de nanodeeltjes moet komen is nog onduidelijk. Deze systemen moeten ook de condities in de chemische reactor zoals hoge druk en temperatuur kunnen weerstaan.
Alarcón Lladó zegt: "De uitdaging is dat je veel katalysatordeeltjes in de reactor moet krijgen. Het hele systeem met de optische vezel moet daardoor zeer compact zijn. Hoe krijgen we daar het licht in én weer uit op de juiste plek? Dat is nog nooit gedaan."
Weckhuysen heeft er vertrouwen in: "AMOLF is goed in het maken van heel gestructureerde nanodeeltjes en zij kunnen het gedrag daarvan ook controleren. In Utrecht zijn we goed in de miniaturisering van de analyse en het uitvoeren van de katalytische reacties. De proof of the pudding is of je alles bij elkaar kunt brengen in een reactor en ook kunt aansturen." Zodra een proof of principle is geleverd willen BASF en andere bedrijven graag meer realistische reactortests doen.

Interessant voor duurzame chemie
Ondanks het fundamentele karakter is de chemische industrie geïnteresseerd en betrokken bij het CATLight project. Het produceren van basischemicaliën vereist veelal processen bij hoge druk en temperatuur, zoals kraken, maar ook de modelreacties uit dit project. "Je moet de hele reactor verwarmen, vaak met een brandstof die CO2 produceert, zegt Peter Berben van BASF. "Als je slim gebruik kunt maken van het plasmonisch effect in combinatie met een katalysator om de reactor te verwarmen vinden wij dat interessant. In theorie hoef je daarmee niet meer de hele reactor op te warmen en bespaar je brandstof."
"Met deze nieuwe methode maken we de processen duurzamer. De grondstoffen worden maximaal gebruikt en er ontstaan dus in principe ook minder bijproducten," aldus Weckhuysen.
Naast de specifieke modelreacties is de kennis uit het onderzoek voor BASF interessant voor intern onderzoek naar energie-efficiënte processen, zegt Berben. "Dit project past in onze strategie om in 2050 CO2-neutraal te produceren."

Energiezuinig?
Het project laat vooralsnog nog wel een aspect buiten beschouwing. CATLight onderzoekt enkel in theorie hoeveel energie een plasmonische reactor slurpt in vergelijk met de huidige reactoren. "Het energieverbruik is iets voor een vervolgonderzoek," zegt Weckhuysen. "Een mooie uitkomst van het project zou zijn dat we een prototype reactor hebben op kleine schaal van enkele liters. Daarvan kunnen we voor de eerste keer goed gaan berekenen wat de opbrengst is. We kunnen dan gaan kijken of het klopt wat we beloven." Alarcón Lladó zegt: "Deel van het project is wel om te onderzoeken hoeveel efficienter we kunnen zijn door het gebruik van licht."
Het licht voor de reactoren komt van krachtige lasers en LED-lampen. Het is de bedoeling dat de energie daarvoor uiteindelijk duurzaam wordt opgewekt en er wordt ook gekeken of het mogelijk is om in de toekomst direct zonlicht te gebruiken. "Maar we weten nog niet precies hoeveel licht we nodig hebben en hoe we dat allemaal in de reactor gaan krijgen. Dat is onderdeel van het beoogde onderzoek," aldus Weckhuysen.

Meer toepassingen voor licht
Er zijn natuurlijk diverse andere manieren om licht te gebruiken in de chemie. Het gebruik van (UV)-licht om reacties te laten verlopen of sturen is bekend. De natuur gebruikt dat volop en haalt er een groot deel van zijn energie uit. Meer fundamenteel is het nieuwe onderzoek naar de ultrasterke interactie tussen licht en materie. Volgens Alarcón Lladó is dit mogelijk een manier om chemische reacties efficiënter te maken, maar het onderzoek staat nog in de kinderschoenen.
De bekendste is wel de zonnecel die licht omzet in elektrische energie die gebruikt kan worden voor chemische reacties zoals het maken van waterstofgas uit water. Je kunt natuurlijk ook een reactor verwarmen met elektrische energie uit zonnecellen. Berben zegt: "Dit nieuwe systeem moet wel effectiever zijn dan een zonnepaneel. Of dat lukt zal de toekomst uitwijzen."

Dit artikel is gepubliceerd in Chemie Magazine 3, juni 2022.

Kaders

Plasmonische systemen - Hotspots voor maken en meten met licht
Achter de wetenschappelijke term 'plasmonisch' gaat een wereld van elektronen en lichtgolven schuil die door hun interactie met heel kleine metaaldeeltjes bijzondere effecten veroorzaken. Die kun je inzetten voor reële toepassingen. Er zijn al plasmonische nanodeeltjes die zonnecellen efficiënter maken en er is onderzoek gaande om plasmonische nanodeeltjes te gebruiken voor kankerbehandelingen.
Een van de bijzondere effecten die kunnen optreden in plasmonische systemen is het ontstaan van zogenaamde hotspots op het oppervlak van nanodeeltjes van bijvoorbeeld goud of zilver. Dat werkt zo: in het nanodeeltje bewegen de elektronen vrij rond. Licht dat op het deeltje valt maakt een golfbeweging en neemt daarin de elektronen mee. Die verzamelen zich daardoor op bepaalde plekken op het oppervlak, de hotspots, afhankelijk van de grootte van het nanodeeltje en de golflengte van het licht. Door deze hotspots te manipuleren kunnen onderzoekers bijvoorbeeld kiezen hoe heet ze worden of welke straling ze uitzenden.
De plasmonische systemen die AMOLF gaat maken in CATLight bestaan uit optische vezels, vergelijkbaar met een glasvezelkabel voor internet. Daarop zitten stekels met daarop de nanodeeltjes en katalysatordeeltjes. De optische vezel moet het licht naar de nanodeeltjes leiden waardoor de hotspots vormen. De stekels dienen om een groter oppervlak te krijgen waarop je nanodeeltjes en katalysatordeeltjes kunt plaatsen.
De onderzoekers gaan in eerste instantie kijken wat er gebeurt in deze materialen wanneer je er licht op schijnt en hoe je dat kunt sturen. Wanneer ze dat onder de knie hebben zullen ze chemische processen gaan bestuderen in een reactor, die in Utrecht wordt gebouwd.

Chemische processen
Voor CATLight zijn drie industriële processen uitgekozen met ieder hun eigen uitdaging.
1. Dehydrogenering van propaan tot propyleen, een endotherme reactie die bij vrij hoge temperatuur van 550-650°C plaatsvindt. Dient als modelreactie voor het bewijzen dat het plasmonisch systeem voordeel kan hebben.
2. CO-oxidatie voor onder andere katalytische zuivering van uitlaatgassen, belangrijk om de invloed van de temperatuur te bepalen.
3. Dry reforming van methaan naar synthesegas (CH4 + CO2 → 2 CO + 2 H2), onder andere interessant omdat het CO2 verbruikt. De meest complexe reactie uit het rijtje.

CATLight
Het project "Steering and sensing sustainable CATalytic reactions with Light (CATLight)" zal naar eigen zeggen: "een geheel nieuwe manier [demonstreren] om commercieel relevante chemische reacties actiever, selectiever en energiezuiniger te maken."
Hoofdaanvrager is Esther Alarcón Lladó (AMOLF) samen met Bert Weckhuysen van de Universiteit Utrecht en andere onderzoekers van AMOLF en de Universiteit Utrecht. Consortiumpartners zijn BASF, Toyota Europe, DENS Inorganic Chemistry and Catalysis solutions, ExxonMobil, Delmic B.V. en Shell.
Het project kreeg begin mei 2022 €1,9M toegekend. Het onderzoek start in september 2022 en loopt vijf jaar.