Goedkope aardolie maakt katalysator voortijdig kapot

Katalysatordeeltjes die goedkope, ruwe aardolie omzetten in benzine, gaan op dezelfde manier ‘dood’ als dat een appel rot. De vergiftiging van de katalysator, door metaalatomen uit de olie, breidt zich vanaf de schil uit naar de kern. Op een bepaald moment kan de olie de nog wel actieve kern echter niet meer bereiken. Deze verrassende ontdekking hebben scheikundigen van de Universiteit Utrecht gedaan door voor het eerst het sterfproces van een katalysatordeeltje driedimensionaal tot op de nanometerschaal in beeld te brengen. Hoewel al langer bekend is dat een katalysator tijdens gebruik zijn activiteit verliest (‘dood’ gaat), was nog onbekend hoe dit proces precies verloopt.

“Inzicht in het deactiveringsproces van deze katalysator is belangrijk, omdat we de komende tientallen jaren steeds meer afhankelijk worden van dit type aardolie”, licht Bert Weckhuysen, hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse van de Universiteit Utrecht toe.

“Verrassend genoeg zien we nu dat de katalysator al volledig dood is, terwijl de kern van het katalysatordeeltje nog niet vergiftigd is door de metaalionen die in goedkope ruwe aardolie aanwezig zijn. Dat betekent dat we een deel van de katalysator niet optimaal benutten. Nu we dit weten, kunnen we hier iets op verzinnen. Bovendien kunnen we met onze krachtige meettechniek ook het sterfproces van veel andere katalysatoren onderzoeken en daardoor hun leven gaan verlengen.”

Inzicht in het deactiveringsproces van deze katalysator is belangrijk, omdat we de komende tientallen jaren steeds meer afhankelijk worden van goedkope, ruwe aardolie.

De door de Utrechtse scheikundigen gebruikte techniek is röntgentomografie op nanoschaal: een driedimensionale röntgenscan met een nauwkeurigheid van een miljoenste millimeter. Weckhuysen noemt het een combinatie van een groothoekcamera en een telelens. “Vergelijk het met een landschapsfoto waarbij je vervolgens inzoomt om alle mieren in beeld te brengen.” Bovendien is de scan driedimensionaal en wordt het proces in de tijd gevolgd.
 
Zulke scans zijn op zich al een technisch hoogstandje, maar door de extreem hoge resolutie is het aantal meetgegevens zo groot, dat de verwerking daarvan een wetenschappelijke uitdaging op zich is. Aanvankelijk was meer dan twee jaar rekentijd nodig om te bepalen hoe een aardoliemolecuul precies door het driedimensionale poriënstelsel van het katalysatordeeltje beweegt. “Dr. Florian Meirer heeft dit dankzij een buitengewoon slimme aanpak van het big data probleem echter weten terug te brengen tot slechts enkele uren”, aldus Weckhuysen.
  
De onderzoekers bestudeerden juist katalysatoren voor deze ruwe, goedkope aardolie omdat hiervan nog de grootste voorraden aanwezig zijn. Deze ‘advantageous feedstock’ is goedkoop door de vele onzuiverheden die het bevat. Zo zitten in de aardoliemoleculen ook metaalatomen, met name ijzer, nikkel en vanadium. De metaalatomen ‘vergiftigen’ de katalysatordeeltjes doordat zij onder andere de poriën in de katalysator blokkeren. Hierdoor kunnen de aardoliemoleculen minder goed in de katalysator komen, waardoor deze dichtslibt en zijn activiteit verliest.