Met fluorescentiemicroscopie kun je nu individuele katalytische omzettingen in een zeolietkristal volgen. En dus ook hoe actief de zeoliet blijft wanneer je hem enigszins mishandelt, blijkt uit een Nederlands/Vlaamse publicatie in JACS.

Zulke zeolieten worden binnen de petrochemie op grote schaal gebruikt als katalysator. Het zijn poreuze kristallen van aluminium, silicium en zuurstof, die functioneren doordat bepaalde plekjes op het kristaloppervlak werken als Brønstedzuur.

De ‘mishandeling’ (steaming, in het jargon) bestaat uit een behandeling met oververhitte stoom die de poriën vergroot, zodat reactanten en producten gemakkelijker naar binnen of naar buiten kunnen diffunderen. Maar die stoom vreet selectief aluminium weg, zodat de samenstelling van het kristaloppervlak per definitie verandert en je minder van die zuur reagerende plekken overhoudt.

Tot nu toe kon je wel de achteruitgang van de katalytische activiteit meten, maar niet wat er nu precies met de katalysator gebeurt.

De groepen van Johan Hofkens en Maarten Roeffaers (KU Leuven) en Bert Weckhuysen (UU) zijn daar nu voor het eerst wél in geslaagd met behulp van NASCA-microscopie, wat staat voor ‘nanometer accuracy by stochastic chemical reactions’.

Als reactie kozen ze de zuurgekatalyseerde oligomerisatie van furfurylalcohol. Die stof is kleurloos maar het oligomeer is tijdens de reactie eventjes een kation dat rood fluoresceert. Elke reactie levert dus een lichtflitsje op dat je met een lichtmicroscoop prima kunt onderscheiden, ook al is de resolutie van dat instrument veel te laag om moleculaire details te kunnen zien. Hoe diep je daarbij onder het poreuze oppervlak kijkt, is een kwestie van scherpstellen.

Op die manier zijn ZSM-5 zeolieten vergeleken die niet waren gestoomd, mild gestoomd bij 500 graden Celsius en zwaar gestoomd bij 700 graden. Die laatste behandeling verlaagt het aantal waargenomen lichtflitsjes met twee ordegroottes maar bij 500 graden is het beeld genuanceerder. Dicht onder het oppervlak verhoogt die behandeling de activiteit, kennelijk doordat de betere bereikbaarheid van de zuur reagerende plekken opweegt tegen de vermindering van hun aantal. Je ziet echter wel dat die plekken niet meer regelmatig over de zeoliet zijn verdeeld, wat doet vermoeden dat steaming als optimalisatieproces toch aan de lompe kant is.

bron: JACS