Katalysatoren zijn een van die dingen waar weinig mensen veel over nadenken, behalve misschien in de scheikunde op de middelbare school, maar ze laten de wereld draaien. Bijna alles in je dagelijks leven is afhankelijk van katalysatoren: auto’s, Post-It notities, wasmiddel, bier.

Katalysatoren zijn overal om ons heen.

Katalysatoren zijn een van die dingen waar weinig mensen over nadenken, behalve misschien in de middelbare school scheikunde, maar ze laten de wereld draaien. Bijna alles in uw dagelijks leven is afhankelijk van katalysatoren: auto’s, Post-It notities, wasmiddel, bier. Alle onderdelen van je broodje, cheddarkaas, gebraden kalkoen. Katalysatoren breken papierpulp af om het gladde papier in uw tijdschrift te maken. Ze maken elke avond uw contactlenzen schoon. Ze veranderen melk in yoghurt en aardolie in plastic melkkannen, cd’s en fietshelmen.

Wat is katalyse?

Katalysatoren versnellen een chemische reactie door de hoeveelheid energie te verminderen die je nodig hebt om er een op gang te krijgen. Katalyse is de ruggengraat van veel industriële processen, die chemische reacties gebruiken om grondstoffen in nuttige producten om te zetten. Katalysatoren zijn een integraal onderdeel bij het maken van kunststoffen en vele andere vervaardigde producten.

Ook het menselijk lichaam werkt op katalysatoren. Veel eiwitten in uw lichaam zijn eigenlijk katalysatoren, enzymen genaamd, die alles doen, van het creëren van signalen die uw ledematen bewegen tot het helpen verteren van uw voedsel. Ze zijn echt een fundamenteel onderdeel van het leven.

Kleine dingen kunnen grote resultaten hebben.

In de meeste gevallen heb je maar een heel klein beetje van een katalysator nodig om een verschil te maken. Zelfs de grootte van het katalysatordeeltje kan het verloop van een reactie veranderen. Vorig jaar ontdekte een Argonne-team, waaronder materiaalwetenschapper Larry Curtiss, dat een zilverkatalysator beter is in zijn taak wanneer hij in nanodeeltjes zit die slechts enkele atomen breed zijn. (De katalysator zet propyleen om in propyleenoxiden, wat de eerste stap is in het maken van antivries en andere producten).

Het kan dingen groener maken.

Industriële fabricageprocessen voor plastic en andere essentiële artikelen produceren vaak nare bijproducten die gevaar kunnen opleveren voor de volksgezondheid en het milieu. Betere katalysatoren kunnen dat probleem helpen oplossen. Dezelfde zilverkatalysator produceert bijvoorbeeld minder giftige bijproducten, waardoor de hele reactie milieuvriendelijker wordt.

In de kern is een katalysator een manier om energie te besparen. En door katalysatoren op grote schaal toe te passen, kan de wereld veel energie besparen. Drie procent van alle energie die jaarlijks in de VS wordt gebruikt, gaat naar de omzetting van ethaan en propaan in alkenen, die onder andere worden gebruikt om kunststoffen te maken. Dat is het equivalent van meer dan 500 miljoen vaten benzine.

Katalysatoren zijn ook de sleutel tot het ontsluiten van biobrandstoffen. Alle biomassa – maïs, switchgrass, bomen – bevat een taaie verbinding, cellulose genaamd, die moet worden afgebroken om brandstof te maken. Het vinden van de perfecte katalysator om cellulose te desintegreren zou biobrandstoffen goedkoper en levensvatbaarder maken als hernieuwbare energiebron.

Vaak hebben we geen idee waarom ze werken.

De precieze redenen waarom katalysatoren werken, zijn voor wetenschappers vaak nog een raadsel. Curtiss werkt in de computationele katalyse: het gebruik van computers om het ingewikkelde samenspel van natuurkunde, scheikunde en wiskunde dat verklaart hoe een katalysator werkt, aan te pakken.

Wanneer ze het proces hebben doorgrond, kunnen wetenschappers proberen een katalysator te bouwen die nog beter werkt door te simuleren hoe verschillende materialen in plaats daarvan zouden kunnen werken. Potentiële configuraties voor nieuwe katalysatoren kunnen oplopen tot duizenden combinaties, en daarom zijn supercomputers het meest geschikt om daarmee om te gaan.

Toen Edison de gloeilamp bouwde, testte hij letterlijk honderden verschillende gloeidraden (waarschijnlijk ook het geduld van zijn labassistenten op de proef stellend) voordat hij de verkoolde gloeidraad ontdekte. Door gebruik te maken van supercomputers en moderne technologie, kunnen wetenschappers de jaren van testen en kosten versnellen om tot doorbraken te komen.

Curtiss voert simulaties uit op Argonne’s Blue Gene/P supercomputer om mogelijke nieuwe katalysatoren te ontwerpen. “Omdat supercomputers sneller zijn geworden, zijn we in staat geweest dingen te doen die we tien jaar geleden nooit hadden kunnen doen”, zei hij.

Ze zouden essentieel kunnen zijn voor de volgende grote revolutie in batterijen.

Nieuwe efficiënte lithium-ion-batterijen hielpen om onhandige autotelefoons te veranderen in de slanke, elegante mobiele telefoons en laptops die vandaag beschikbaar zijn. Maar wetenschappers zijn al op zoek naar de volgende revolutie in batterijen – een die op een dag een batterij licht en krachtig genoeg zou kunnen maken om een auto 500 mijl in een keer te laten rijden. Een veelbelovend idee zijn lithium-lucht-batterijen, die zuurstof uit de lucht als hoofdbestanddeel gebruiken. Maar voor deze nieuwe batterij moet de interne chemie volledig worden herzien en is een krachtige nieuwe katalysator nodig om de batterij te laten werken. Een lithium-luchtbatterij werkt door lithium- en zuurstofatomen te combineren en ze dan telkens weer te splitsen. Dat is een situatie op maat gemaakt voor een katalysator, en een goede zou de reactie sneller maken en de batterij efficiënter.

Hoe maak je een nieuwe katalysator?

Inzicht in de chemie achter reacties is de eerste stap; daarna kunnen wetenschappers modellen gebruiken om potentiële nieuwe katalysatoren te ontwerpen en die in het lab te laten testen. Maar die eerste stap is moeilijk, tenzij je tot op atomair niveau kunt zien wat er tijdens een reactie gebeurt. Dit is waar grote wetenschappelijke faciliteiten zoals Argonne’s Advanced Photon Source (APS) uitblinken.

Bij de APS kunnen wetenschappers de helderste röntgenstralen in de Verenigde Staten gebruiken om de reacties in real time te volgen. In het Elektronen Microscopie Centrum van het laboratorium maken onderzoekers foto’s van de atomen terwijl ze reageren. Curtiss en het team hebben beide gebruikt in hun zoektocht naar betere katalysatoren.