Simulaties helderen het mechanisme op van olefinenvorming uit methanol.

“Niemand verwacht dat onzuiverheden in de grondstoffen van een proces zorgen voor de goede werking van de katalysator”, ­vertelt David Lesthaeghe. Maar toch is dat precies de uitkomst van zijn onderzoek aan het Centrum voor Moleculaire Modellering van de Universiteit Gent. Naast een doctorstitel leverde het hem reeds twee publicaties op in het vooraanstaande tijdschrift Angewandte Chemie.

En onlangs won hij tijdens de Noord-Europese DSM Science & Technology Awards 2007 de derde prijs, en was daarmee de hoogst geklasseerde Belg. “Ze vonden het mooi dat we een controverse die al dertig jaar aansleept op een theoretische wijze hebben opgelost.”

SLACHTING

Lesthaeghe bestudeert het zogeheten MTO-proces, waarbij methanol wordt omgezet in lichte olefines zoals etheen en propeen. “Het vormt een alternatief voor de productie van olefines uit aardolie. Methanol kun je maken uit een wijde waaier aan basisgrondstoffen, waaronder aardgas. En met MTO kun je er vervolgens vrijwel alles van maken waar je voorheen aardolie voor nodig had.”

Dat die omzetting mogelijk is, met een zeoliet als katalysator, is ooit bij toeval ontdekt. Sindsdien wordt heftig gediscussieerd over het moleculaire mechanisme dat hierachter zit. Uit de literatuur zijn minstens twintig verschillende hypo­theses bekend, die elkaar deels tegen­spreken. “Het is een complex proces, met veel secundaire reacties die het moeilijk maken om door middel van experimenten inzicht te krijgen in de primaire reactiemechanismen”, legt Lesthaeghe uit.

Vandaar dat hij besloot om met quantumchemische simulatietechnieken en ­modellering te achterhalen hoe het mechanisme theoretisch kon werken. Eerst rekende hij al die ideeën uit de literatuur door. Het werd een slachting. “De meeste hypotheses stellen directe mechanismen voor. Ze laten twee C1-moleculen samen een C-C-binding vormen. Ons eerste Angewandte-paper toonde aan dat die mechanismen allemaal om de een of andere reden falen. Het hele idee is foutief.”

Enkele auteurs stelden iets heel anders voor, namelijk een zogeheten hydrocarbonpool. Daarbij is een essentiële rol weg­gelegd voor koolstofketens, die vanaf het begin opgesloten zitten in de poriën van de zeoliet. Vermoed wordt dat het voornamelijk polymethylbenzenen zijn. De kiem daarvan wordt gevormd door onzuiverheden in de methanolvoeding of verontreinigingen in het zeolietrooster. Door additie van steeds meer koolstofatomen uit methanol worden de moleculen instabiel, waarna zich kleine stukjes afsplitsen. “Je ziet inderdaad dat er eerst een tijdje niets gebeurt wanneer je methanol begint toe te voeren. Gedurende die tijd wordt de initiële hydrocarbonpool gegenereerd. Daarna komt ineens de vorming van olefines op gang.”

Lesthaeghes simulaties doen vermoeden dat dit wél de correcte verklaring voor het fenomeen is. Theoretisch is het in elk geval prima mogelijk. De berekeningen voorspellen zelfs de details: “Ons tweede Angewandte-paper toont aan dat je de zeoliet en de methylbenzenen niet kunt beschouwen als twee aparte katalysatoren. Ze beïnvloeden elkaar. Je moet ze zien als één supramoleculaire katalysator.”

FOCUS

Ook na zijn promotie wil Lesthaeghe het onderzoek voortzetten. “We weten nu dat we ons geheel moeten focussen op het hydrocarbonpool-model. We willen nu kijken of we de vorming van de initiële pool kunnen versnellen. En we onderzoeken wat we kunnen doen tegen de vorming van polyaromaten, die als cokes de zeoliet verstoppen.”

Het onderzoek mag rekenen op warme belangstelling van enkele industriële partners. “Die gebruiken de nieuwe inzichten om naar ideale katalysatoren toe te werken. De wens is om de etheen/propeenselectiviteit te verhogen. Het liefst zou je een proces hebben waarbij je de verhouding kunt variëren, en hem kunt aanpassen aan de vraag. Als propeen op een gegeven moment heel duur is, dan kun je er meer van maken.”|

Bron: C2W13