Bert Weckhuysen (46) is sinds 2000 werkzaam als hoogleraar Anorganische Chemie en Katalyse aan de Universiteit van Utrecht. Weckhuysen ontving in 2013 de NWO Spinozapremie. Hij is daarmee de jongste chemicus ooit die deze prestigieuze prijs kreeg. Weckhuysen ontving de prijs met name voor zijn werk in de heterogene katalyse, waarbij hij en zijn groep meettechnieken, bijvoorbeeld een combinatie van elektronische, vibratie- en röntgenabsorptie-spectroscopie, hebben ontwikkeld om katalytische processen in detail live te volgen (zie kader).
U bent zowel actief in het analyseren van katalytische processen op basis van fossiele feedstocks als biomassa. Bespeurt u een opkomst van de laatstgenoemde richting in termen van funding?
‘Om je een idee te geven. We zijn binnen onze vakgroep voornamelijk actief op gebied van fossiel en biomassa, met nog maar een beetje aandacht voor solar en CO2-conversie. Fossiele grondstoffen en biomassa zijn weliswaar gelijkwaardig, maar het aandeel van funding voor biomassa helt meer over naar publiek geld (NWO en EU, red.). In fossiel is het belang van het bedrijfsleven groter. Het is het beeld hoe de wereld nu werkt en hoe deze in de toekomst meer zou moeten gaan werken. De opkomst van schaliegas is in dit traject een remmende factor, waarbij onderzoek naar katalysatoren die methaan en korte alkanen, zoals propaan, om kunnen zetten, nu plots meer aandacht krijgt. We krijgen vanuit bijvoorbeeld de VS funding om hier onderzoek te verrichten. Dat heeft weer gevolgen voor de tijd die je kunt vrijmaken voor katalyse van biomassa. Laten we wel wezen: de rol van de petrochemie is voorlopig nog niet uitgespeeld. Er staan kapitaalintensieve installaties in Antwerpen, Rotterdam of Houston en voorlopig zijn de fossiele bronnen, zeker aardgas, ook niet opgedroogd. Het is zaak om de rol van biomassa in het geheel langzaam maar zeker op te voeren.’
En de katalyse speelt daarin een belangrijke rol?
‘Zeker, al is deze wel sterk afhankelijk van de voorbehandelingsstap. Biomassa en fossiele grondstoffen hebben met elkaar gemeen dat deze een wisselende samenstelling hebben. Er zijn allerlei onzuiverheden of vervuilingen die uit de feedstock moeten worden verwijderd. In aardolie zijn dit naast zware elementen, veelal metalen, lichte elementen zoals zwavel en stikstof. In biomassa zijn het ondermeer zanddeeltjes, enzymen en metalen die zoveel mogelijk uit de feedstock moeten worden verwijderd voor de katalysestap. Het problematische van biomassa is het hydrofiele karakter. Katalysatoren zijn momenteel veelal ontwikkeld voor een hydrofobe feedstock, lees aardolie. Gebruik je deze katalysatoren in een wateroplossing, dan krijg je problemen met hun stabiliteit, een belangrijke karaktereigenschap. Mensen denken vaak dat je met een heel actieve en selectieve katalysator het gaat redden, maar het derde kwaliteitsaspect van een katalysator, stabiliteit, is even belangrijk. Je hebt niets aan een katalysator die na een paar uren morsdood is. Dat betekent onder andere dat je moet werken met meer waterminnende materialen waaruit je een katalysator kan gaan maken. Een voorbeeld hiervan is zirconium oxide of niobium oxide in plaats van aluminium oxide, maar de eerste zijn wel duurder. Dus alles heeft zijn prijs.’
Ik heb uit eerdere publicaties begrepen dat katalyse in algemene zin nog onontgonnen terrein is. Waar zitten de black boxes in het proces?
‘In het katalyseproces is in de petrochemie nog een wereld te winnen. Een beter zicht op de processen op nanoschaal in real life moet leiden tot effectievere katalysatoren met een langere levensduur. Zoals zonet gezegd zijn er drie parameters van belang: activiteit – hoe hard werkt de katalysator? -, selectiviteit – het vermogen om geen bijproducten te maken – en stabiliteit, de levensduur. Momenteel heeft de petrochemie geen accuraat zicht op deze processen. Wat kort door de bocht gezegd controleren bedrijven de werking van katalysatoren op basis van de output aan het einde van de reactor. Dan loop je dus letterlijk achter de feiten aan. Ik denk wel dat we effectievere katalysatoren kunnen ontwikkelen die qua proceskosten en output beter presteren. Daarvoor moet je wel letterlijk in het reactorvat kunnen kijken om de interactie tussen de katalysator en de individuele moleculen, die het aan het omzetten is, te onderzoeken. Welnu, dat kunnen we met onze meetmethodiek (zie kader). We kunnen nu als het ware leven en dood van een katalysator in kaart brengen, tot op het niveau van één katalysatordeeltje, één molecule en één atoom.’
Op welke biomassa richt uw vakgroep zich met haar katalyse-onderzoek?
‘We zijn vooral gericht op houtachtige stromen, cellulose, hemicellulose en lignine, met nog een ‘plukje’ voor glycerol als bijproduct van de biodieselproductie. Als we de laatste buiten beschouwing laten, dan gaat het hier om de niet-eetbare fractie van plantenmateriaal, en dus niet rechtstreeks in competitie met de voedselketen. Vooral de ligninefractie is erg interessant. Waarom? Omdat de bestanddelen van deze fractie soms wel erg veel lijken op die van aardolie. Neem bijvoorbeeld lignine, qua volume (20-30 procent in gewicht, red.) een bestanddeel dat we zeker moeten gebruiken, zit vol met aromaten, een chemische bouwsteen voor tal van materialen die we gebruiken. Denken we maar aan de PET-fles. Weggooien of verbranden van lignine zijn zowel vanuit economisch als maatschappelijk oogpunt geen opties. Nu is de raffinage van lignine voornamelijk een gesubsidieerde activiteit, maar er zijn al bedrijven die op commerciële schaal producten maken op basis van lignine. Bijvoorbeeld het Noorse Borregaard dat vanilline, een smaak- en geurstof, voor de voedingsmiddelenindustrie produceert op basis van lignine. Deze kan concurreren met op aardolie gebaseerde vanilline door zijn betere smaakeigenschappen. Het is sterk afhankelijk van de toepassing of het substituut op basis van biomassa het zal redden in de ‘werkelijke wereld’. We zullen zien dat meer en meer biobased toepassingen dit zullen kunnen doen, zeker wanneer de consument het belangrijk vindt dat een product duurzaam is. De vraag is of de consument bereid zal zijn om soms hiervoor een hogere prijs te betalen.’
Hoe ziet u de transitie naar een meer biogebaseerde chemie voor u? Moet het komen van nieuwe chemicaliën, cq. kunststoffen en plastics of van drop-ins die langzamerhand de rol van fossiele feedstocks meer over gaan nemen?
‘Een optie is om op biomassa gestoelde olie in laten stromen in olieraffinaderijen, zeg maar het bijmengen op industriële schaal. Je zou pyrolyse-olie bij kunnen mengen, ware het niet dat deze nu te zuur is en nog voorbewerkingsstappen nodig heeft om deze geschikt te maken voor bijmenging. De opkomst van schaliegas biedt zeker kansen voor aromaten (BTX, fenolen, red.) op basis van biomassa omdat deze op basis van schaliegas niet geproduceerd kunnen worden. Een andere optie is het terugkraken van hernieuwbare plastics tot de individuele bouwstenen om op basis hiervan weer nieuwe plastics te maken. Welke routes het ook zullen gaan redden, ik zie een geleidelijke overgang in het verschiet en niet plotselinge disrupties in de huidige markt. Men vergeet vaak dat de katalyse van biomassa complexiteiten met zich meebrengt. Dat heeft niet alleen te maken met de feedstock, maar ook met de moleculen die in de katalyse worden gegenereerd. In de petrochemie worden de verschillende moleculen, bijvoorbeeld C30, ‘geknipt’ door katalysatoren om er een benzinemolecuul, C8, van te maken. Echter, de katalyse van biomassa levert onder meer moleculen op, bijvoorbeeld een C6-suiker, die je weer zou moeten ‘plakken’ met een ander molecuul om een vergelijkbaar C8-benzinemolecuul te krijgen. Waarschijnlijk praten we daarom in de komende jaren vooral over hernieuwbare brandstofadditieven. Kortom, er zijn nog voldoende uitdagingen om een kosteneffectief proces te ontwerpen zodat biomassa op meerdere applicaties, dus niet alleen in een nichemarkt zoals die vanilline als smaakstof, kan concurreren.’
U trad begin van dit jaar op tijdens TEDx-Binnenhof, een interessante bijeenkomst waarin biobased projecten/producten een prominente rol vervulden. ‘Uw’ onderwerp was CO2 als feedstock voor de stad van de toekomst.
‘Dat is voorlopig toekomstmuziek, maar wel een interessante route. Het principe is om CO2 niet indirect, via de route van biomassa en deze te gebruiken om onze materialen en brandstoffen te maken, maar direct af te vangen en samen met water en zonlicht om te zetten in moleculen zoals methanol, ethanol of koolstofmonoxide. Het is een elegante oplossing, waarbij we de natuurlijke processen moeten zien te verbeteren. Mimicry, de nabootsing van de natuur, is niet altijd de weg om te gaan. Vooral omdat deze processen niet altijd optimaal zijn. Neem fotosynthese, dat is zelfs behoorlijk inefficiënt, laten we zeggen een paar procenten. Door een geheel nieuwe familie van katalysatormaterialen te ontwikkelen, kunnen we deze processen uiteindelijk op real life schaal in gaan voeren. Ik ben optimistisch gestemd. Zure regen was in de zeventiger jaren, door moleculen als SO2, een groot probleem. Uiteindelijk hebben katalysatoren er onder meer voor gezorgd dat de uitstoot hiervan drastisch is teruggedrongen. Zure regen is daarom geen thema meer, nu is CO2 het volgende doel.’
