Katalyse is de stuwende kracht achter de productie van kunstmest, waarmee de wereldbevolking zich over de afgelopen zeventig jaar heeft kunnen verdrievoudigen. En nu zal katalyse net zo fundamenteel belangrijk zijn voor het verminderen van de CO2-uitstoot. Atsushi Urakawa ontwikkelt katalysatoren en katalytische processen waarmee deze overvloedige hulpbron kan worden omgezet in nuttige chemicaliën, zoals duurzame brandstoffen.
“Katalyse speelt een rol bij de productie van meer dan negentig procent van alle chemicaliën,” zegt Atsushi Urakawa, professor catalysis engineering bij de afdeling Chemical Engineering aan de TU Delft. “Maar katalyse is nog steeds een soort tovenarij: we weten niet hoe het werk, maar het werkt buitengewoon goed. Het versnelt chemische reacties, verlaagt de voor deze reacties benodigde energie en stelt ons in staat om de reacties richting het gewenste eindproduct te sturen.”
In de jaren ’90 koos Urakawa voor een studie chemie omdat dit van groot praktisch belang was bij het oplossen van toenmalige problemen zoals zure regen. Al snel ontwikkelde hij een fascinatie voor katalyse, waarbij hij zich uiteindelijk toelegde op CO2-chemie. “In plaats van CO2 ondergronds opslaan, kunnen we het met katalyse omzetten naar nuttige chemicaliën zoals brandstoffen,” zegt hij. “De traditionele trial-and-error aanpak voor het verbeteren van deze katalytische processen werkt best goed, maar het vergt dan wel een hoop geld en zo’n twintig tot dertig jaar ontwikkelingstijd. Als je kijkt naar de tijdschaal van de wereldwijde uitdagingen waar we voor staan, dan moeten we flink versnellen. Ik geloof dat de oplossing ligt in rationeel ontwerp van katalysatoren en katalytische processen.”
Katalyse
Een katalysator is een substantie die een chemische reactie versnelt zonder dat de substantie daarbij zelf een verandering ondergaat. Katalysatoren worden breed toegepast in de chemische industrie bij het verwerken van aardolie en bij het vervaardigen van allerlei bulk- en fijne chemicaliën. Katalyse speelt een rol bij ontelbare producten die we in ons dagelijks leven gebruiken: benzine, kunstmest en alles dat plastic bevat, om er een paar te noemen.
Van atomen naar volledige reactoren
Overstappen op rationeel ontwerp is makkelijker gezegd dan gedaan. Een van Urakawa’s leidinggevenden vertelde hem zelfs dat rationeel ontwerp van katalytische processen onmogelijk zou zijn omdat het hierbij om zoveel verschillende tijdsschalen en lengteschalen gaat. “Katalyse is op al deze schalen een zwarte doos, maar ik denk dat het toch mogelijk is,” zegt Urakawa. “We beschikten gewoon nog niet over de juiste tools om deze zwarte doos te openen.”
De meeste onderzoekers in de katalysegemeenschap leggen zich toe op de schaal van de atomen (de nanometerschaal): immers, als de reactie op deze schaal niet werkt, dan zal het op de schaal van een reactor ook niet werken. Urakawa heeft echter een veel bredere interesse. Dat is ook de reden dat hij de wereld rondtrok om zich, na zijn studie chemie, ook te bekwamen in kwantumchemie en chemische technologie. “Mijn expertise is om naar katalyse in zijn geheel te kijken. Wat gebeurt waar en welke producten zijn er dan aanwezig, hoe worden reactieproducten aan- en afgevoerd? Als we niet precies begrijpen wat er in een reactor gebeurt, dan kunnen we een katalytisch proces ook niet rationeel ontwerpen.”
Nieuwe katalytische materialen en processen
Een van de kernactiviteiten binnen zijn onderzoeksgroep aan de TU Delft is daarom de zogenoemde operando spectroscopie, waarmee je de katalysator en de reactor doormeet onder bedrijfsomstandigheden die relevant zijn voor de industrie. Met die kennis ontwikkelt hij nieuwe katalytische materialen en processen – met name voor het op een duurzame manier omzetten van CO2 naar brandstoffen zoals methanol, maar bijvoorbeeld ook voor de synthese van ammoniak en waterstof.
“Deze katalytische processen hebben veel uitdagingen gemeen,” zegt Urakawa. “We willen de hoeveelheid energie verlagen die voor deze processen benodigd is. Daarnaast willen we de selectiviteit van de processen verhogen, zodat alleen het gewenste eindproduct geproduceerd wordt. Ook de lange-termijn stabiliteit van de katalysator is belangrijk.” Het unieke aan zijn groep is dat ze onderzoek doen naar alle drie de katalytische processen: de “klassieke” thermische katalyse die plaatsvindt bij een hoge druk en temperatuur, elektrokatalyse (met gebruik van groene elektriciteit) en fotokatalyse (met licht). “We willen weten welk proces het beste is, en of het combineren van verschillende methodes tot nog betere resultaten leidt.”
Boordevol industrie
Terugkeren naar zijn alma mater TU Delft heeft Urakawa geholpen bij het bevredigen van zijn grenzeloze nieuwsgierigheid naar katalytische processen. “Er zijn hier zoveel wetenschappers met kennis op alle mogelijke schalen; moleculaire fysica, thermodynamica, transportverschijnselen, reactorontwerp, noem maar op. In mijn groep beschikken we over kernexpertise van elk van deze onderwerpen. En zodra we expertise van wereldklasse nodig hebben, dan gaan we samenwerkingen aan – binnen onze eigen afdeling, met andere faculteiten van de TU Delft, of met andere universiteiten.”
Ook het gunstige industriële klimaat speelde een rol bij zijn beslissing om naar Nederland terug te keren. “Nederland is een klein land, maar het heeft een lange historie op het gebied van katalyse,” zegt hij. “Bovendien staat het boordevol chemische industrie. Om onze doelen te verwezenlijken, is het van cruciaal belang om op dagelijkse basis met de industrie in contact te staan.”
(G)een einde in zicht
Ook zijn passie voor educatie was een reden om terug te keren naar de TU Delft: Urakawa is dankbaar dat hij een uitstekende masteropleiding heeft kunnen volgen en wil daar graag iets voor terugdoen. Urakawa: “De technische uitdagingen bij het versnellen van katalytische processen zijn te groot voor mij en mijn generatie alleen. Ik hoop dat ik een opstapje kan zijn voor degenen die na mij komen, zodat zij dit werk kunnen voortzetten.”
Behalve deze technische uitdagingen is er ook een economisch aspect dat de introductie van grootschalige duurzame conversie van CO2 met behulp van hernieuwbare energie en hernieuwbaar waterstof vertraagt. “Economisch gezien wedijvert katalyse met het gebruik van fossiele grondstoffen, en deze zijn heel goedkoop,” zegt Urakawa. “Maar de prijs van hernieuwbare energie gaat omlaag en die van fossiele energie juist omhoog door CO2-heffingen. Katalyse zal competitief worden. We zorgen ervoor dat we op dat moment de juiste technologie paraat hebben.”
