Nanodeeltjes zijn kampioen in het recycleren van CO2 in hernieuwbare brandstof. Maar als ze te heet of te koud worden, zijn ze ziek en verliezen ze hun efficiëntie. Wij ontwikkelen thermometers om zieke nanodeeltjes op te sporen en hen op termijn te genezen.
“Shoot!“ Ik noteer ‘4.21 AM: start experiment’ in het logboek. Een teamgenoot van de nachtshift steekt intussen met kleine ogen een laatste stuk pizza achter de kiezen, nerveus wachtend op de eerste resultaten die uit de analysecomputer stromen. Op dat moment wordt een immense dosis röntgenstralen, wel 10.000.000.000 keer zo intens als de zon, afgevuurd vanuit de ringvormige synchrotron met een omtrek van 1 km.
De röntgenstralen schieten door het katalysatorpoeder, opgebouwd uit reactieve nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes werken als minuscule nanofabrieken die CO2 afval recycleren in hernieuwbare methaanbrandstof. De nanodeeltjes zitten vast op een kleine zandkorrel, de drager, die CO2 gas capteert en over een afstand van enkel nanometers richting de nanodeeltjes stuurt. Op de nanodeeltjes wordt CO2 dan omgevormd tot methaan.
Röntgenfilm van werkende nanofabrieken
Röntgenstralen maken het mogelijk om de structuur van een bepaald materiaalonderdeel in kaart te brengen. Een röntgenfoto van een hand legt de botstructuur bloot, terwijl elektronica in de reiskoffer oplicht in de röntgenscanner op de luchthaven.
Door een röntgenfilm te maken aan een krachtige synchrotron kunnen onderzoekers zoals wij de atomaire structuur van de nanodeeltjes blootleggen. Dit zelfs zonder de drager daarbij mee in kaart te brengen en terwijl de nanofabrieken druk in de weer zijn met CO2 recyclage. Zeer handig, want de nanodeeltjes vormen net het kloppend hart van de katalysator waar alle actie plaatsgrijpt en bepalen dus zijn functioneren.
Paradigmashift: van structuur naar temperatuur
Tot voor kort werd enkel de structuur van nanodeeltjes opgemeten om zo verbanden te leggen tussen hun structuur en de snelheid waarmee CO2 wordt gerecycleerd. Maar, de temperatuur van de nanodeeltjes werd steeds genegeerd omdat het zeer uitdagend is deze op te meten op de nanoschaal. Nochtans bepaalt de lokale temperatuur van deze nanodeeltjes zeer sterk hoeveel en hoe snel CO2 kan worden omgezet.
De queeste naar de temperatuur
Het pionierswerk van onze CoCooN groep (UGent), recent verschenen in Nature Catalysis, maakt het nu mogelijk om niet enkel de structuur maar ook de temperatuur van de nanodeeltjes lokaal op te volgen. We pasten daarbij de volgende handigheid toe: als nanodeeltjes opwarmen, krijgen ze veel energie. Ze worden als het ware wat chaotisch en wanordelijk in hun atomaire structuur. De wanorde kunnen we opmeten via de structuur, wat ons de lokale temperatuur van de nanodeeltjes oplevert. En dit samen met hun structuur: twee vliegen in één klap dus.
Dit laat ons toe om de temperatuur als een extra dimensie toe te voegen aan de klassieke wetten die de katalysatorstructuur koppelen aan zijn prestaties tijdens chemische omzetting. Het wordt zo mogelijk om dit klassiek kader fundamenteel te vervolledigen en te herschrijven.
Nanodeeltjes met koorts
Door deze nieuwe röntgenmethode nu toe te passen tijdens CO2 recyclage blijkt dat de nanodeeltjes verbazingwekkend veel van temperatuur veranderen, vaak met tientallen graden Celsius. Zo krijgen nanodeeltjes het warm tijdens CO2 omzetting in methaan omdat deze chemische reactie warmte afgeeft. De nanodeeltjes krijgen dus als het ware koorts, wat hun efficiëntie voor CO2 omzetting enorm – exponentieel! – beïnvloedt.
Een toekomstperspectief met de mens als inspiratiebron
Deze ontdekking onthult slechts het topje van de ijsberg. Ben je als mens ziek, dan meet je al snel je lichaamstemperatuur. Die reflex is bij katalysatorwetenschappers nog niet aanwezig door een gebrek aan gevoelige thermometers die de temperatuur van nanodeeltjes en de drager lokaal in kaart kunnen brengen. Daarom is het cruciaal dat onderzoekers wereldwijd nieuwe thermometers ontwikkelen om de evolutie van de katalysatortemperatuur beter te begrijpen.
Wanneer je koorts hebt, gaat je functioneren achteruit. Maar de onderliggende oorzaak van je ziekte blijft onbekend. Verder onderzoek is dan nodig om te achterhalen of je ziektekiem een virus of bacterie is, en of andere onderliggende aandoeningen spelen in je lichaam. Bij katalysatoren kan je op eenzelfde manier denken: de temperatuur in de nanodeeltjes wordt geregeld door minuscule warmtestroompjes binnenin de katalysator. Het is totaal onbekend hoe snel die warmte wegvloeit en zo de temperatuur verandert. Er is dus een sterke nood aan meer fundamentele kennis over hoe warmte zich gedraagt op nanoschaal en zo de temperatuur en efficiëntie van nanodeeltjes beïnvloedt.
Katalysatorwetenschappers kunnen potentieel ook katalysatordokters worden
Eens de aard van de ziektekiem in je lichaam gekend is, kan de dokter je genezen en je temperatuur terug onder controle krijgen. Zo kunnen katalysatorwetenschappers potentieel ook katalysatordokters worden, die de temperatuur en efficiëntie van katalysatoren onder controle kunnen houden. Het fundamenteel begrijpen van warmte- en temperatuursfenomenen in katalysatoren zal nieuwe innovatieve ideeën lanceren om een volgende generatie van ‘kerngezonde’ en hyperefficiënte katalysatoren te ontwerpen. Dit niet enkel om economische vooruitgang te boeken in de chemische industrie, maar ook om CO2 recyclage een boost te geven en zo één van de grootste uitdagingen van onze eeuw aan te pakken: het stopzetten van de klimaatverandering.
Link naar publicatie: Filez et al., Nature Catalysis, 8, 187–195 (2025). https://www.nature.com/articles/s41929-025-01295-9
