Onderwijs

Kokende stenen krijgen snelweg en binnenplein

Delftse chemici hebben ontdekt hoe ze ‘zeolieten’, een immens populair hulpmiddel voor chemische reacties, naar eigen inzicht kunnen inrichten: een gang hier, een reactorvat daar. Hoe een simpele vulkaansteen steeds meer gaat lijken op een volwaardige chemische fabriek.

Noem ze gerust de Steen der Wijzen van de moderne chemische industrie, die zeolieten. Je kunt er water mee ontharden, ruwe olie mee splitsen, uitlaatgassen mee reinigen en er methanol mee omtoveren tot benzine. En dat lijkt nog maar het begin. Onderzoekers van DelftChemTech zijn erin geslaagd de zeoliet om te bouwen tot een soort superzeoliet, die zijn oude werk veel beter moet uitvoeren en daarnaast wellicht ook allerlei nieuwe klussen aankan.

‘Zeoliet’ is Grieks voor ‘kokende steen’. Met reden: van oorsprong is het mineraal een poreus, vulkanisch gesteente dat water vasthoudt en begint te roken zodra je het verhit. Interessant werd het toen technici van oliemaatschappij Mobil de zeoliet verwerkten tot een poeder, en hem gingen gebruiken als katalysator voor allerlei chemische reacties.

Zeolieten zijn gemaakt van siliciumoxiden en aluminiumoxiden. Die zitten aan elkaar geklonken in een stijve honingraatstructuur met minuscule tunneltjes ertussen, ‘microporiën’ van gemiddeld een halve nanometer breed. Die poriën werken als een soort zeef die kleine moleculen doorlaat en grote moleculen buiten de deur houdt. Binnenin zwengelen de negatief geladen aluminiumoxides intussen allerlei chemische reacties aan. “Je kunt zo’n zeoliet eigenlijk zien als een zuur, maar dan in vaste vorm”, zegt ing. Johan Groen, die met de sectie Reactor and Catalysis Engineering van prof.dr. Jacob Moulijn zeolieten onderzoekt.

Maar de natuur heeft de kokende stenen ook een tekortkoming meegegeven. De tunneltjes zijn wel érg nauw, en kronkelig bovendien. Veel moleculen kunnen er niet in. En de moleculen die wel in de poriën passen, dringen niet altijd even goed door in de zeoliet. “Je wilt eigenlijk ook grotere poriën maken, ‘mesoporiën'”, zegt Groen. “Die dienen dan als een soort snelweg waarlangs moleculen diep in de zeoliet kunnen doordringen. Bovendien doorkruisen zulke snelwegen de microporiën, die daardoor korter worden.” Met grotere poriën zou je een soort turbo-zeoliet moeten krijgen, een zeoliet die allerlei chemische reacties er veel sneller en efficiënter doorheen jaagt. Zo’n zeoliet kan bijvoorbeeld meer energie aan ruwe olie onttrekken, opperden Zwitserse onderzoekers al eens.

In twee publicaties, een in het Europese blad Chemistry en een in het statige vakblad Journal of the American Chemical Society (JACS), legt Groen een stevige basis voor de aanpak. Samen met collega’s uit Utrecht, Noorwegen en Spanje laat het Delftse team zien dat een zeoliet inderdaad naar wens is in te richten. Met lange, rechte snelwegen, uitgestrekte binnenpleinen en allerlei kamertjes waar reacties kunnen plaatsvinden. Wat eens een simpele vulkaansteen was, wordt zo een soort chemische fabriek, compleet met transportbanden, toegangspoorten en werkruimtes.

Daartoe ontwikkelden Groen en zijn collega’s een manier om tunnels uit te hakken uit het silicium. De onderzoekers bewerkten verschillende zeolieten met natronloog, een base die silicium uit de weg ruimt. Maar: is er aluminium in de buurt, dan blijft de zeoliet intact, zo laten de onderzoekers zien in ‘Chemistry’. De negatief geladen aluminiumgroepen stoten het eveneens negatief geladen OH- uit het natronloog immers af. Het is dus zoeken naar de juiste aluminium-siliciumverhouding: hoe minder aluminium, des te meer tunnels je met loog in het materiaal kunt graven.

In hun JACS-publicatie presenteren Groen en collega’s een andere opvallende zeoliet: eentje die van binnen is uitgehold. Dat komt doordat de zeoliet waarmee de onderzoekers werkten aan de buitenkant veel aluminium bevat, en van binnen heel weinig. De loogbehandeling leverde zeolietkristallen op die van binnen waren leeg gevreten, terwijl ze van buiten keurig intact bleven. “Je krijgt dan een duaal systeem”, zegt Groen. “De buitenkant dient als zeef. Als een molecuul daar doorheen is, kan hij hard rennen en allerlei reacties ondergaan. Je kunt je reacties voorstellen van het soort: je mag er pas weer uit als je weer door de poriën past.” De onderzoekers herhaalden het experiment met kleinere zeolietkristallen. Dat leverde prachtig doortunnelde zeolietjes op, een zeoliet die eruitziet als een gatenkaas.

Andere onderzoekers waren er ook al in geslaagd tunneltjes aan te leggen door zeolieten. Maar de Delftse methode ‘heeft duidelijke voordelen’, zo schrijven Groen en collega’s in JACS. De tot dusver meest gebruikte methode om tunnels te graven is namelijk door de aluminiumgroepen uit de weg te ruimen. Daardoor wordt de zeoliet echter minder zuur . en dus minder werkzaam.

Wat je allemaal met de nieuwe, verbouwde zeolieten kunt doen, moet volgens Groen nog blijken. Dat gaat de groep van Moulijn de komende tijd eens rustig uitvogelen. “Voorlopig gaat het om het principe”, zegt Groen. “Het leuke is dat we de zeolieten controleerbaar kunnen gaan aanpassen. Je kunt de hoeveelheid aluminium in zo’n zeolietkristal verhogen of verlagen, en spelen met zaken als de hoeveelheid natronloog en de inwerktijd van het loog. Mogelijkheden zat.”

Wellicht wacht de zeoliet een nieuw leven in de geneesmiddelenindustrie. De Britse St. Andrews Universiteit experimenteert al met zeolieten die stikstofoxide (NO) bezorgen in het lichaam. Je stopt de zeoliet vol stikstofoxide, en als hij met lichaamsvocht in aanraking komt, stoot de zeoliet het NO af, om watermoleculen te kunnen opzuigen. Handig, want in kleine hoeveelheden werkt stikstofoxide infectieremmend en trombosewerend.

Een ander idee is om de zeolieten in te zetten als reactorvaatje, bijvoorbeeld om vervuilde lucht te reinigen. “Nanocapsules, microreactors . die woorden zijn hot”, zegt Groen.

Aluminiumrijke zeolietkristallen, elfhonderd maal vergroot.

Noem ze gerust de Steen der Wijzen van de moderne chemische industrie, die zeolieten. Je kunt er water mee ontharden, ruwe olie mee splitsen, uitlaatgassen mee reinigen en er methanol mee omtoveren tot benzine. En dat lijkt nog maar het begin. Onderzoekers van DelftChemTech zijn erin geslaagd de zeoliet om te bouwen tot een soort superzeoliet, die zijn oude werk veel beter moet uitvoeren en daarnaast wellicht ook allerlei nieuwe klussen aankan.

‘Zeoliet’ is Grieks voor ‘kokende steen’. Met reden: van oorsprong is het mineraal een poreus, vulkanisch gesteente dat water vasthoudt en begint te roken zodra je het verhit. Interessant werd het toen technici van oliemaatschappij Mobil de zeoliet verwerkten tot een poeder, en hem gingen gebruiken als katalysator voor allerlei chemische reacties.

Zeolieten zijn gemaakt van siliciumoxiden en aluminiumoxiden. Die zitten aan elkaar geklonken in een stijve honingraatstructuur met minuscule tunneltjes ertussen, ‘microporiën’ van gemiddeld een halve nanometer breed. Die poriën werken als een soort zeef die kleine moleculen doorlaat en grote moleculen buiten de deur houdt. Binnenin zwengelen de negatief geladen aluminiumoxides intussen allerlei chemische reacties aan. “Je kunt zo’n zeoliet eigenlijk zien als een zuur, maar dan in vaste vorm”, zegt ing. Johan Groen, die met de sectie Reactor and Catalysis Engineering van prof.dr. Jacob Moulijn zeolieten onderzoekt.

Maar de natuur heeft de kokende stenen ook een tekortkoming meegegeven. De tunneltjes zijn wel érg nauw, en kronkelig bovendien. Veel moleculen kunnen er niet in. En de moleculen die wel in de poriën passen, dringen niet altijd even goed door in de zeoliet. “Je wilt eigenlijk ook grotere poriën maken, ‘mesoporiën'”, zegt Groen. “Die dienen dan als een soort snelweg waarlangs moleculen diep in de zeoliet kunnen doordringen. Bovendien doorkruisen zulke snelwegen de microporiën, die daardoor korter worden.” Met grotere poriën zou je een soort turbo-zeoliet moeten krijgen, een zeoliet die allerlei chemische reacties er veel sneller en efficiënter doorheen jaagt. Zo’n zeoliet kan bijvoorbeeld meer energie aan ruwe olie onttrekken, opperden Zwitserse onderzoekers al eens.

In twee publicaties, een in het Europese blad Chemistry en een in het statige vakblad Journal of the American Chemical Society (JACS), legt Groen een stevige basis voor de aanpak. Samen met collega’s uit Utrecht, Noorwegen en Spanje laat het Delftse team zien dat een zeoliet inderdaad naar wens is in te richten. Met lange, rechte snelwegen, uitgestrekte binnenpleinen en allerlei kamertjes waar reacties kunnen plaatsvinden. Wat eens een simpele vulkaansteen was, wordt zo een soort chemische fabriek, compleet met transportbanden, toegangspoorten en werkruimtes.

Daartoe ontwikkelden Groen en zijn collega’s een manier om tunnels uit te hakken uit het silicium. De onderzoekers bewerkten verschillende zeolieten met natronloog, een base die silicium uit de weg ruimt. Maar: is er aluminium in de buurt, dan blijft de zeoliet intact, zo laten de onderzoekers zien in ‘Chemistry’. De negatief geladen aluminiumgroepen stoten het eveneens negatief geladen OH- uit het natronloog immers af. Het is dus zoeken naar de juiste aluminium-siliciumverhouding: hoe minder aluminium, des te meer tunnels je met loog in het materiaal kunt graven.

In hun JACS-publicatie presenteren Groen en collega’s een andere opvallende zeoliet: eentje die van binnen is uitgehold. Dat komt doordat de zeoliet waarmee de onderzoekers werkten aan de buitenkant veel aluminium bevat, en van binnen heel weinig. De loogbehandeling leverde zeolietkristallen op die van binnen waren leeg gevreten, terwijl ze van buiten keurig intact bleven. “Je krijgt dan een duaal systeem”, zegt Groen. “De buitenkant dient als zeef. Als een molecuul daar doorheen is, kan hij hard rennen en allerlei reacties ondergaan. Je kunt je reacties voorstellen van het soort: je mag er pas weer uit als je weer door de poriën past.” De onderzoekers herhaalden het experiment met kleinere zeolietkristallen. Dat leverde prachtig doortunnelde zeolietjes op, een zeoliet die eruitziet als een gatenkaas.

Andere onderzoekers waren er ook al in geslaagd tunneltjes aan te leggen door zeolieten. Maar de Delftse methode ‘heeft duidelijke voordelen’, zo schrijven Groen en collega’s in JACS. De tot dusver meest gebruikte methode om tunnels te graven is namelijk door de aluminiumgroepen uit de weg te ruimen. Daardoor wordt de zeoliet echter minder zuur . en dus minder werkzaam.

Wat je allemaal met de nieuwe, verbouwde zeolieten kunt doen, moet volgens Groen nog blijken. Dat gaat de groep van Moulijn de komende tijd eens rustig uitvogelen. “Voorlopig gaat het om het principe”, zegt Groen. “Het leuke is dat we de zeolieten controleerbaar kunnen gaan aanpassen. Je kunt de hoeveelheid aluminium in zo’n zeolietkristal verhogen of verlagen, en spelen met zaken als de hoeveelheid natronloog en de inwerktijd van het loog. Mogelijkheden zat.”

Wellicht wacht de zeoliet een nieuw leven in de geneesmiddelenindustrie. De Britse St. Andrews Universiteit experimenteert al met zeolieten die stikstofoxide (NO) bezorgen in het lichaam. Je stopt de zeoliet vol stikstofoxide, en als hij met lichaamsvocht in aanraking komt, stoot de zeoliet het NO af, om watermoleculen te kunnen opzuigen. Handig, want in kleine hoeveelheden werkt stikstofoxide infectieremmend en trombosewerend.

Een ander idee is om de zeolieten in te zetten als reactorvaatje, bijvoorbeeld om vervuilde lucht te reinigen. “Nanocapsules, microreactors . die woorden zijn hot”, zegt Groen.

Aluminiumrijke zeolietkristallen, elfhonderd maal vergroot.

Redacteur Redactie

Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.