Katalysatoren structureren is de rode draad in Freek Kapteijns onderzoek. Eerst op reactorniveau, inmiddels op moleculaire schaal.

‘Ik vergelijk katalysetechnologie weleens met de tienkamp’, begint de Delftse hoogleraar en voormalig tienkamper Freek Kapteijn (65). ‘Je moet heel veel disciplines beheersen en je moet geduld hebben. Met een succes op een klein onderdeel ben je er niet. Je hebt sterke en minder sterke nummers, maar het eindresultaat telt.’ Tijdens Chains 2017, eind dit jaar, mag hij de Hoogewerff Gouden Medaille in ontvangst nemen, de belangrijkste Nederlandse oeuvre­prijs voor chemisch technologen. Hij krijgt hem voor zijn pionierswerk aan gestructureerde katalytische reactoren.

MOF-hotspot

Kapteijn studeerde scheikunde en wiskunde aan de UvA, met chemische technologie als afstudeerrichting. Na een promotie op metathesereacties overwoog hij er een medicijnenstudie bovenop te doen, maar hij lootte uit en dook in de driewegkatalysatoren. In 1993 ging hij naar Delft, op uitnodiging van ex-UvA’er Jacob Mou­lijn die daar hoogleraar katalyse was geworden. ‘In Amster­dam hoorde ik zo onderhand bij het meubilair. Het leek me goed van atmosfeer te veranderen.’

Moulijn was toen al bezig met monolieten, inerte blokken met kanalen die je met katalysatoren bekleedt. ‘Moleculen diffunderen poreuze deeltjes in, en onderweg reageren ze’, legt Kapteijn uit. ‘Als dat laatste heel snel gaat, benut je alleen het buitenste van zo’n deeltje. Verklein je ze, dan geeft dat een enorme drukval in je reactor. In een monoliet ontkoppel je die factoren: de kanaaldiameter bepaalt de drukval, de dikte van de coating staat daar los van.’

‘Het leek me goed van atmosfeer te veranderen’

Die katalysatordeeltjes ook zélf gaan structureren, lag daarna eigenlijk voor de hand. ‘In 2008 dacht ik, we hebben nu zo lang met monolieten gewerkt, laten we eens een nieuwe weg inslaan’, vertelt Kapteijn. ‘Metal-organic frameworks, kortweg MOF’s, waren in opkomst en ik vond dat een interessant veld waarin ik veel parallellen zag met mijn eerdere werk.’

Sindsdien is zijn groep uitgegroeid tot een MOF-hotspot, die soms verrassende toepassingen genereert. Zo leken deze materialen niet temperatuurbestendig genoeg voor de bulkchemie, maar de neiging tot ontleden maakt ze des te beter bruikbaar als precursor: ‘Een ijzerhoudende MOF pyrolyseren, levert een vorm van ijzercarbide op die voor Fischer-Tropschreacties die tien keer zo actief bleek als commerciële ijzerkatalysatoren.’

Maar Kapteijn werkt bijvoorbeeld ook aan MOF’s die water splitsen met behulp van zonlicht. ‘Procestechnologie is niet alleen petrochemie. Ook bij fotokatalyse moeten de stappen goed met elkaar in evenwicht zijn.’ En zelfs in een levende cel ziet hij parallellen. ‘Je hebt een kern, transport, diffusie, reacties… precies hetzelfde als in katalyse. Zo zie je dat de discipline zich diversifieert.’