Biomassa geldt als hernieuwbare grondstof voor brandstoffen en chemicaliën, maar het materiaal bevat van nature te veel zuurstof om direct bruikbaar te zijn. Voordat je er waardevolle moleculen van kunt maken, moet een deel van die zuurstof eruit, en daarvoor zijn katalysatoren nodig. De industrie leunt daarbij nog vaak op schaarse edelmetalen zoals platina en palladium.
Een proefschrift dat op 22 juni aan Wageningen University & Research werd verdedigd, laat zien dat goedkopere metaalcarbiden dat werk kunnen overnemen. Promovendus Raghavendra Meena bracht met rekenmodellen in kaart wat er precies op het oppervlak van zulke katalysatoren gebeurt.
Zuurstof eruit met een goedkoper materiaal
Het verwijderen van zuurstof gebeurt via hydrodeoxygenatie, kortweg HDO, een reactie waarbij waterstof de zuurstof uit biomassamoleculen haalt. Meena onderzocht carbiden van molybdeen en wolfraam, Mo2C en W2C, als alternatief voor edelmetaal. Een complicatie is dat deze carbiden onder reactieomstandigheden gedeeltelijk oxideren. Lange tijd werd dat als nadeel gezien, maar het onderzoek laat zien dat de zuurstofrijke gebieden op het oppervlak van zulke oxycarbiden, Mo2COx en W2COx, de reactie juist makkelijker maken. Ze helpen de binding tussen koolstof en zuurstof te breken, en dat is de kern van HDO. Van de onderzochte materialen bleek de molybdeenvariant het actiefst en het meest selectief.
Rekenkracht in plaats van eindeloos proberen
Het opvallende aan dit werk is dat het grotendeels op de computer plaatsvond. Meena combineerde kwantummechanische berekeningen met simulaties van het reactieverloop, kinetische modellen en datagedreven methoden om te voorspellen welke eigenschappen een katalysator actief maken. Als modelreactie gebruikte hij de omzetting van boterzuur naar butaan. Door eerst te begrijpen welke factoren de activiteit bepalen, kon hij ontwerpregels opstellen waarmee onderzoekers gerichter naar betere carbiden kunnen zoeken, bijvoorbeeld door vreemde atomen in het kristalrooster in te bouwen. Dat scheelt veel tijd in het lab, omdat niet elke variant fysiek hoeft te worden gemaakt en getest.
Het proefschrift verbindt dit fundamentele rekenwerk aan de duurzaamheidsdoelen van de Verenigde Naties, in het bijzonder betaalbare en schone energie. Voor de bio-economie telt vooral dat goedkopere katalysatoren de stap van plantaardige grondstof naar bruikbare chemicaliën en brandstoffen economisch aantrekkelijker maken. Het onderzoek werd begeleid door Harry Bitter en Han Zuilhof als promotoren en Guanna Li als copromotor. De volledige tekst is vrij beschikbaar via de onderzoeksportal van Wageningen University & Research.
Bron: research.wur.nl
Foto: Aurélien Antoine, Adobe Stock
