Lachgas legt het loodje met nieuwe katalysator

Veertig artikelen en twee jaar later verlaat hij cum laude de TU.

Lachgas is al sinds 1800 een bekende partydrug. Even ademen aan een ballon met het gas en je krijgt een rush van euforie en verdoving, lachen dus. En dat is waaraan het beroemde gas zijn naam dankt.

Lachgas, N2O, werd lang gezien als een onschuldig gas. Niet alleen voor de lol en later voor de anesthesie, ook voor het milieu zou dit gas weinig schadelijk zijn. Zo’n tien jaar geleden verloor lachgas zijn onschuldige status, toen wetenschappers zich realiseerden dat N2O schadelijk is voor de atmosfeer, omdat het bijdraagt aan de afbraak van de ozonlaag. Daarnaast is het een broeikasgas. Lachgas komt weliswaar veel minder in de atmosfeer terecht dan koolstofdioxide, de beruchtste boosdoener van de opwarming van de aarde, maar één molecuul N2O blijft wel 150 jaar in de lucht hangen. Het broeikaseffect van lachgas is daardoor 310 keer sterker dan dat van koolstofdioxide.

De landbouw, de grootste producent van lachgas, veroorzaakt 57 procent van de jaarlijkse N2O-emissie in de Europese Unie. Het is echter erg lastig om de uitstoot van her en der verspreide bemeste weilanden in te perken. Handiger, en nog haalbaar ook op korte termijn, is het om de emissies van de chemische industrie, goed voor 29 procent, in te dammen. Daarvoor is wel een stabiele katalysator nodig, eentje die een lange tijd N2O omzet in stikstof en zuurstof. De vervaardiging van zo’n katalysator was de opdacht van Peréz-Ramírez toen hij in het voorjaar van 1998 begon aan zijn promotieonderzoek bij de sectie Industrial Catalysis van de faculteit Technische Natuurwetenschappen.

,,Eigenlijk is de omzetting van lachgas in stikstof en zuurstof niet eens zo’n moeilijk proces”, vertelt Peréz-Ramírez. ,,Alleen het maken van een geschikte katalysator was tot nu toe niet succesvol, omdat andere gassen de katalysator vervuilen.”

Lachgas komt het meest vrij bij de productie van salpeterzuur, een grondstof voor kunstmest. Bij de productie van salpeterzuur ontstaan behalve lachgas bijproducten als zuurstof, waterdamp, sulfaatdioxide en stikstofoxiden die de werking van de katalysator bemoeilijken.

Een ander nadeel van de huidige katalysatoren voor lachgas is dat ze niet stabiel zijn ofwel, ze zijn niet even actief over een langere periode.

Stoom

Pérez-Ramírez ontwikkelde een nieuwe manier om een katalysator te maken voor de omzetting van lachgas. Bestaande N2O-katalysatoren bevatten ijzer en zeolietmaterialen. Het ijzer zorgt voor de actieve omzetting van lachgas in stikstof en zuurstof en de zeolieten voor de ondersteuning. Zeoliet is een kristallijn microporeus materiaal van aluminiumsilicaten waarvan de structuur bestaat uit kanaaltjes van moleculaire afmetingen. In dekatalysator gaat het lachgas door de kanaaltjes en ontmoet daar de ijzerdeeltjes die in de wand van de kanaaltjes zitten waardoor het N2O wordt omgezet.

Het probleem met deze katalysatoren is dat ze niet lang werken. De ijzerdeeltje blijven als gevolg van de productiewijze niet verankerd in de wand van de kanaaltjes en komen buiten het kanaaltje terecht. Hierdoor neemt de activiteit van de katalysator af, meestal al na een of twee weken. En dat is te kort voor een fabriek.

,,Eigenlijk heb ik niet een katalysator ontwikkeld, maar een manier om de ijzerdeeltjes in de wand van de poriën van de zeolieten te houden. Met een speciale behandeling van de zeolieten met calcineren en stomen blijven de ijzerdeeltjes aan de wand van het kanaaltje verankerd, zonder dat ze snel verdwijnen. Deze vondst heeft me een actieve, stabiele en goedkopere katalysator opgeleverd.”

Pérez-Ramírez wilde achterhalen hoeveel ijzerdeeltjes in de kanaaltjes bleven hangen om daarmee de werking van de katalysator te bepalen. Dat lukte niet met de huidige techniek. En dus bedacht hij zelf maar een nieuwe manier om de werking van zijn katalysator aan te tonen. Met zijn voltammetrische techniek weet Peréz-Ramírez verschillende ijzerdeeltjes te identificeren in de kanaaltjes. Het is een elektrochemische methode waarbij een elektrode elektronen stuurt naar de zeolieten en reageren met de ijzerdeeltjes. Deze techniek geeft een vingerafdruk van de samenstelling van de katalysator, met name van de ijzerdeeltjes in de katalysator. Het onderscheidt de verschillende ijzerdeeltjes, gebaseerd op hun elektroactiviteit. ,,Het enige nadeel van mijn methode is dat het een kwantitatieve methode is en niet kwalitatief. Maar daarnaast is het een erg goedkope, simpele en snelle wijze om de werking van complexe katalysatoren te analyseren.”

Volgens Pérez-Ramírez, die in de laatste twee jaar van zijn promotieonderzoek veertig artikelen schreef, is het waarschijnlijk dat zijn katalysator binnenkort in salpeterfabrieken terechtkomt. ,,Helaas kan ik dat niet beslissen. Ik verwacht wel dat het voor 2010 zal zijn. Binnenkort moeten fabrieken in Europa die N2O uitstoten belasting betalen. Dat zal de introductie van mijn katalysator versnellen. In Frankrijk gebeurt dat al. Ik geloof dat het een aardig bedrag aan belasting is per ton N2O want de Fransen willen erg graag mijn katalyse kopen.”

Javier Peréz-Ramírez ontwikkelde een katalysator voor de ontleding van lachgas. Om de werking van zijn katalysator aan te tonen bedacht hij een nieuwe techniek. Veertig artikelen en twee jaar later verlaat hij cum laude de TU.

Lachgas is al sinds 1800 een bekende partydrug. Even ademen aan een ballon met het gas en je krijgt een rush van euforie en verdoving, lachen dus. En dat is waaraan het beroemde gas zijn naam dankt.

Lachgas, N2O, werd lang gezien als een onschuldig gas. Niet alleen voor de lol en later voor de anesthesie, ook voor het milieu zou dit gas weinig schadelijk zijn. Zo’n tien jaar geleden verloor lachgas zijn onschuldige status, toen wetenschappers zich realiseerden dat N2O schadelijk is voor de atmosfeer, omdat het bijdraagt aan de afbraak van de ozonlaag. Daarnaast is het een broeikasgas. Lachgas komt weliswaar veel minder in de atmosfeer terecht dan koolstofdioxide, de beruchtste boosdoener van de opwarming van de aarde, maar één molecuul N2O blijft wel 150 jaar in de lucht hangen. Het broeikaseffect van lachgas is daardoor 310 keer sterker dan dat van koolstofdioxide.

De landbouw, de grootste producent van lachgas, veroorzaakt 57 procent van de jaarlijkse N2O-emissie in de Europese Unie. Het is echter erg lastig om de uitstoot van her en der verspreide bemeste weilanden in te perken. Handiger, en nog haalbaar ook op korte termijn, is het om de emissies van de chemische industrie, goed voor 29 procent, in te dammen. Daarvoor is wel een stabiele katalysator nodig, eentje die een lange tijd N2O omzet in stikstof en zuurstof. De vervaardiging van zo’n katalysator was de opdacht van Peréz-Ramírez toen hij in het voorjaar van 1998 begon aan zijn promotieonderzoek bij de sectie Industrial Catalysis van de faculteit Technische Natuurwetenschappen.

,,Eigenlijk is de omzetting van lachgas in stikstof en zuurstof niet eens zo’n moeilijk proces”, vertelt Peréz-Ramírez. ,,Alleen het maken van een geschikte katalysator was tot nu toe niet succesvol, omdat andere gassen de katalysator vervuilen.”

Lachgas komt het meest vrij bij de productie van salpeterzuur, een grondstof voor kunstmest. Bij de productie van salpeterzuur ontstaan behalve lachgas bijproducten als zuurstof, waterdamp, sulfaatdioxide en stikstofoxiden die de werking van de katalysator bemoeilijken.

Een ander nadeel van de huidige katalysatoren voor lachgas is dat ze niet stabiel zijn ofwel, ze zijn niet even actief over een langere periode.

Stoom

Pérez-Ramírez ontwikkelde een nieuwe manier om een katalysator te maken voor de omzetting van lachgas. Bestaande N2O-katalysatoren bevatten ijzer en zeolietmaterialen. Het ijzer zorgt voor de actieve omzetting van lachgas in stikstof en zuurstof en de zeolieten voor de ondersteuning. Zeoliet is een kristallijn microporeus materiaal van aluminiumsilicaten waarvan de structuur bestaat uit kanaaltjes van moleculaire afmetingen. In dekatalysator gaat het lachgas door de kanaaltjes en ontmoet daar de ijzerdeeltjes die in de wand van de kanaaltjes zitten waardoor het N2O wordt omgezet.

Het probleem met deze katalysatoren is dat ze niet lang werken. De ijzerdeeltje blijven als gevolg van de productiewijze niet verankerd in de wand van de kanaaltjes en komen buiten het kanaaltje terecht. Hierdoor neemt de activiteit van de katalysator af, meestal al na een of twee weken. En dat is te kort voor een fabriek.

,,Eigenlijk heb ik niet een katalysator ontwikkeld, maar een manier om de ijzerdeeltjes in de wand van de poriën van de zeolieten te houden. Met een speciale behandeling van de zeolieten met calcineren en stomen blijven de ijzerdeeltjes aan de wand van het kanaaltje verankerd, zonder dat ze snel verdwijnen. Deze vondst heeft me een actieve, stabiele en goedkopere katalysator opgeleverd.”

Pérez-Ramírez wilde achterhalen hoeveel ijzerdeeltjes in de kanaaltjes bleven hangen om daarmee de werking van de katalysator te bepalen. Dat lukte niet met de huidige techniek. En dus bedacht hij zelf maar een nieuwe manier om de werking van zijn katalysator aan te tonen. Met zijn voltammetrische techniek weet Peréz-Ramírez verschillende ijzerdeeltjes te identificeren in de kanaaltjes. Het is een elektrochemische methode waarbij een elektrode elektronen stuurt naar de zeolieten en reageren met de ijzerdeeltjes. Deze techniek geeft een vingerafdruk van de samenstelling van de katalysator, met name van de ijzerdeeltjes in de katalysator. Het onderscheidt de verschillende ijzerdeeltjes, gebaseerd op hun elektroactiviteit. ,,Het enige nadeel van mijn methode is dat het een kwantitatieve methode is en niet kwalitatief. Maar daarnaast is het een erg goedkope, simpele en snelle wijze om de werking van complexe katalysatoren te analyseren.”

Volgens Pérez-Ramírez, die in de laatste twee jaar van zijn promotieonderzoek veertig artikelen schreef, is het waarschijnlijk dat zijn katalysator binnenkort in salpeterfabrieken terechtkomt. ,,Helaas kan ik dat niet beslissen. Ik verwacht wel dat het voor 2010 zal zijn. Binnenkort moeten fabrieken in Europa die N2O uitstoten belasting betalen. Dat zal de introductie van mijn katalysator versnellen. In Frankrijk gebeurt dat al. Ik geloof dat het een aardig bedrag aan belasting is per ton N2O want de Fransen willen erg graag mijn katalyse kopen.”