‘Het overgrote deel van de literatuur rond de katalyse gaat over de link tussen de structuur van de katalysator en de performantie’, begint Matthias Filez, Assistant Professor aan de Universiteit Gent. Dat is natuurlijk niet zo vreemd, want de structuur is van invloed op welke moleculen er aan kunnen binden. ‘Maar wat hierbij vaak over het hoofd wordt gezien, is dat de temperatuur van de katalysator kan veranderen door chemische reacties. De wetten van de thermodynamica en kinetiek leren ons dat deze temperatuur een belangrijke parameter is die bepaalt hoe snel reacties plaatsvinden en welke producten zich kunnen vormen. Verandert de katalysatortemperatuur, dan potentieel ook de performantie.’

Handvol

Er is maar een handvol publicaties die zich verdiept in het opmeten van de lokale temperatuur op de katalysator, bijvoorbeeld door onderzoekers in de Weckhuysen-groep aan de Universiteit Utrecht. ‘Dat heeft waarschijnlijk te maken met de uitdagende natuur van karakterisering’, legt Filez uit. ‘Er bestonden nog geen goede methoden om de temperatuur te achterhalen precies op de plaats waar reactie optreedt. Toen we dat beseften, hebben we ons vizier daarop gericht, waarbij onze geavanceerde x-stralenmethode goed van pas kwam.’

Filez refereert aan EXAFS-thermometrie, waarmee je een soort Röntgenfoto’s kunt maken, niet van botten, maar van nanodeeltjes – de katalysatorcomponent die de reactie uitvoert. ‘Je kunt er de structuur mee bekijken, maar onze clou was dat de structuur van een deeltje ook wordt beïnvloed door de temperatuur.’ Als de temperatuur stijgt, dan stijgt ook de wanorde in een systeem en die kun je dus meten met X-stralen, opgewekt door een grootschalige synchrotron (zie afbeelding bovenaan). ‘Wij hebben de wanorde vervolgens gelinkt aan de temperatuur.’ Het effect van de temperatuur in EXAFS beschouwen onderzoekers doorgaans als een obstakel omdat het signaal erdoor wordt beïnvloed. ‘Maar wij hebben dat nadeel tot ons voordeel gedraaid.’

Naast de ‘fundamentele curiositeit’ zien Filez en collega’s ook het praktische belang van dit onderzoek. ‘Denk aan een auto. Het heeft allerlei onderdelen, maar als hij niet rijdt, dan kijk je als eerste naar de motor, die de kern vormt van het voortbewegen.’ Op dezelfde manier kun je de katalysator zien, zegt Filez. ‘De nanodeeltjes op het dragermateriaal vormen de motor van een katalysator. Dus wil je weten waarom een katalysator wel of niet werkt, dan moet je lokaal kijken naar de nanodeeltjes.’

Verrassing

Het analyseren van de literatuur zorgde ervoor dat het team voor een verrassing kwam te staan. Filez. ‘In samenwerking met het laboratorium voor chemische technologie aan de Universiteit Gent begonnen we met het analyseren van datasets. Het resultaat was verbluffend: we zagen lokale temperatuurveranderingen van 90 tot 100 graden Celsius! Onze grootste uitdaging was dus ook om onszelf te overtuigen dat onze analyse correct was.’

Ze doken daarom nog dieper in de data en ontdekten een consistente lijn. ‘De temperatuur varieert écht soms tientallen graden. Dat zijn we toen zelf gaan testen met de methaanreformingreactie. Die reactie is endotherm en heeft dus warmte nodig van de katalysator om het te laten doorgaan.’ Daarbij bleek dat de nanodeeltjes als een soort energieput fungeerden, die de grote temperatuurdaling veroorzaakte. De volgende vraag was: geldt dit alleen voor endotherme reacties of zie je een omgekeerd fenomeen bij exotherme varianten? Dat laatste bleek inderdaad het geval, hoewel het effect wel minder groot was.

Kantelpunt

‘Dat was voor ons echt het kantelpunt, het was een bevestiging dat onze methode werkt’, vervolgt Filez. ‘Vervolgens hebben we geavanceerde methodes ontwikkeld om te kwantificeren wat die temperatuurveranderingen nu precies waren.’ Het werk laat volgens Filez zien dat de huidige literatuur een incompleet beeld geeft van katalyse. ‘Er wordt nog steeds gestreefd naar structuur-functierelaties, maar eigenlijk moet je structuur-temperatuur-functierelaties bouwen, want de temperatuur speelt een belangrijke rol in bijvoorbeeld de reactiesnelheid. Ons fundamentele begrip verandert hier dus mee.’

Wat nu vaststaat is dat de temperatuur van nanodeeltjes dus verandert. Filez: ‘Dus het eerste fundamentele aspect dat we nu willen uitwerken is het bouwen van structuur-temperatuur-performantierelaties. Daarnaast willen we erachter komen wat de onderliggende mechanismes zijn die zich voordoen in de energiehuishouding van de katalysator zelf. De temperatuur die je meet is namelijk een macroscopische eigenschap waar veel energiestromen mee gemoeid zijn.’

Als laatste opent deze ontdekking een pad om een nieuwe generatie katalysatoren te ontwikkelen. ‘Daarvoor willen we tools ontwikkelen waarmee we de temperatuur van de nanodeeltjes kunnen controleren, zodat je mogelijk stabielere processen krijgt in de chemische industrie.’

Filez, M. et al. (2025) Nat. Catal., DOI: 10.1038/s41929-025-01295-9