Gepubliceerd op 25 november 2008
Katalysator mogelijk oplossing voor olieprobleem
Foto: Dirk Gillissen
Katalysatoren zijn mogelijk een oplossing voor het het olieprobleem of
het broeikaseffect. 'Het is eigenlijk simpel: we weten wat we willen
maken, en uit welke bouwstenen dit bestaat. Het enige dat we nog
moeten uitvinden is een geschikte nieuwe katalysator om die bouwstenen
bij elkaar te krijgen zodat de producten ontstaan die wij willen
maken,' aldus UvA-chemicus Bas de Bruin.
Tijdens een korte rondleiding laat De Bruin het lab zien waar hij
samen met zijn onderzoeksgroep het onderzoek verricht. Op een tafel
staan allerlei flessen door elkaar, in de wasbak ligt het gebruikte
glaswerk hoog opgestapeld en goed afgeschermd in een vacuümkamer staat
een gebruikt chemisch mengsel. Blijkbaar is dit de ideale habitat voor
een chemicus, want bij navraag blijkt De Bruin zich in deze omgeving
thuis te voelen. Op deze plek gebeurt het, hier vindt het eerste
gedeelte, de ruwe schets van zijn onderzoek plaats waar hij de ene
stof bij andere doet in de hoop dat er iets moois uitkomt.
De Bruin houdt zich als lid van de vakgroep Homogene en
Supramoleculaire Katalyse aan het Van 't Hoff Institute for Molecular
Sciences van de Universiteit van Amsterdam bezig met de rol van
katalysatoren in chemische reacties. Een katalysator is een stof die
de snelheid van een bepaalde reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt
te worden. Een bepaalde reactie kan zo langzaam verlopen dat het
zonder katalysator eeuwen zou duren voordat een evenwichtstoestand is
bereikt. In andere gevallen verloopt de reactie zonder katalysator
helemaal niet. De stof is een soort van helpende hand: hij brengt
verschillende soorten moleculen bij elkaar en helpt de reactie tussen
deze moleculen om zo nieuwe stoffen of lange polymeerketens te vormen.
Waarvoor worden katalysatoren gebruikt?
Katalysatoren kunnen onder meer worden ingezet bij de aanpak van
actuele problemen. `Een katalysator is in potentie een goed middel om
het olieprobleem of het broeikaseffect op te lossen,' zegt De Bruin.
`Als een chemische reactie, bijvoorbeeld bij het maken van plastic,
door een katalysator efficiënter verloopt, hoeft er minder olie te
worden gebruikt om hetzelfde product te maken.
`Hoewel de ontwikkeling nog ver weg is, kan het zelfs zo ver gaan dat
we op een gegeven moment nuttige chemicaliën of brandstoffen voor onze
auto's uit biologische en dus hernieuwbare grondstoffen kunnen maken.
Het is eigenlijk simpel: we weten wat we willen maken, en uit welke
bouwstenen dit bestaat. Het enige dat we nog moeten uitvinden is een
geschikte nieuwe katalysator om die bouwstenen bij elkaar te krijgen
zodat de producten ontstaan die wij willen maken.'
Daarnaast zijn katalysatoren simpelweg een goede manier om geld te
verdienen. Geld dat gebruikt kan worden voor de financiering van nieuw
onderzoek. `Wij chemici lijken eigenlijk op de alchemisten van
vroeger: we proberen we nog steeds van lood goud te maken,' merkt De
Bruin op. `Wij proberen uit goedkope materialen, met behulp van een
katalysator, waardevolle verbindingen te maken. Als wij bijvoorbeeld
een bepaalde nieuwe polymeer, een lange keten van aan elkaar geregen
kleinere moleculen, maken met behulp van een katalysator, kan dat
polymeer mogelijk later verkocht worden aan een bedrijf. De verkoop
van polymeren is inmiddels een miljardenbusiness.'
Veel bedrijven, onder meer uit de olie- en medicijnindustrie, maken
gretig gebruik van de expertise van onder andere De Bruin. Hun kennis
wordt toegepast voor verschillende doeleinden. Aan de ene kant kan het
optimaliseren van een chemische reactie met behulp van een katalysator
winst opleveren, bijvoorbeeld door een besparing aan energie of
doordat er minder grondstoffen worden gebruikt. Aan de andere kant kan
na intensief onderzoek een materiaal met unieke eigenschappen
ontstaan. Uiteindelijk kan zo'n product dan in de winkel terechtkomen.
Foto: Dirk Gillissen
Radicale werkwijze
Het huidige onderzoek van De Bruin, waarvoor hij werd beloond met een
ERC-Grant, geeft een goed voorbeeld van deze synergie tussen
wetenschap en bedrijfsleven. Met behulp van een speciaal soort
katalysator, een radicaal, is hij namelijk bezig aan de ontwikkeling
van een nieuw plastic, waaraan unieke eigenschappen als een betere
verfbaarheid meegegeven kan worden.
Op een foto die De Bruin toont is duidelijk het resultaat van deze
katalysator te zien. Aan de linkerkant van de foto is een bruin hoopje
met de uiterlijke kenmerken van een kauwgom, gemaakt met behulp van
`oude' katalysatoren, te zien. Aan de rechterkant het materiaal dat
het resultaat is van een radicaal nieuwe katalysator en dat er wit,
hard en veel meer als plastic uitziet. Dit moet verder worden
ontwikkeld, zodat het in de toekomst ook in het dagelijkse leven kan
worden gebruikt, bijvoorbeeld bij de productie van auto-onderdelen of
raamkozijnen.
Binnen de vakgroep Homogene en Supramoleculaire Katalyse is De Bruin
een van de weinigen die zich bezighoudt met zogeheten
metallo-radicalen als katalysatoren en reactieve carbenen (een soort
dubbelradicaal) als reagentia. Zelfs wereldwijd is hij een voorloper
in dit specifieke vakgebied. Dit komt omdat het werken met deze
radicalen gepaard gaat met lastige onderzoekssituaties. Een radicaal
is een molecuul of atoom dat een ongepaard elektron bevat. Door deze
ongepaarde elektronen zijn radicalen zeer reactief. Radicalen bestaan
daardoor vaak maar zeer korte tijd als tussenproduct tijdens reacties.
Gezien hun reactiviteit kunnen radicalen in de fractie van secondes
dat ze bestaan grote veranderingen teweegbrengen bij andere moleculen.
De magnetische eigenschappen van deze stoffen zijn echter zo anders
dat meetapparatuur, die normaliter bij katalysatoren wordt gebruikt,
niet in staat is vast te leggen wat er eigenlijk gebeurt. Daardoor is
een analyse maken van de reactie via de normale methodes niet altijd
mogelijk.
De Bruin ziet in deze moeilijkheden juist een uitdaging. Hoewel hij
zijn werkwijze wel enigszins moet aanpassen bij zijn onderzoek naar
radicalen en carbenen. `Het is lastig om deze radicalen te
karakteriseren, maar juist daarom wil ik de reactiviteit van deze
stoffen begrijpen. Ik wil een verklaring hebben waarom een bepaalde
reactie plaatsvindt. Om die te kunnen krijgen, ga ik bij
metallo-radicalen anders te werk dan bij andere katalysatoren. In de
praktijk betekent dit dat er veel geëxperimenteerd moet worden. We
voegen een radicaal of carbeen toe aan een reactie en dan is het een
kwestie van afwachten wat er gebeurt. Daarbij gaat het vaak niet zoals
je van tevoren denkt, maar dat maakt dit werk juist zo leuk.'
Juist door dat geëxperimenteer kon De Bruin het eerder genoemde
plastic maken. `De werkwijze is een radicale verandering ten opzichte
van wat gebruikelijk was,' vertelt hij met gepaste trots. `We wisten
hoe het plastic eruit moest zien, maar de weg ernaartoe was nog
onbekend. Voorheen werd geprobeerd om deze specifieke polymeren te
maken uit gefunctionaliseerde alkenen, maar die ketens werden een
warboel. De ketens werden wel gemaakt, maar het zag eruit als een
totale chaos, waardoor er een heel ander materiaal uit de reactie kwam
dan gewenst. Toen we het rhodium als katalysator gebruikten om
carbenen te polymeriseren kwam er een net, goed geordend polymeer
uit.'
Bron: UvA Persvoorlichting
Zie ook
Eerder verschenen in de rubriek Onderzoeksfocus
Universiteit van Amsterdam