ADDITIVE MANUFACTURING ONDERSTEUNT CHEMISCHE KATALYSE

UT-hoogleraar Han Gardeniers: “Het liefst bouwen we structuren per atoom op"

In het kader van het Europese Horizon 2020-programma van de European Research Council, ontving UT-hoogleraar Han Gardeniers van de Universiteit Twente reeds in 2017 een 'Advanced Grant' ter waarde van 2,5 miljoen euro. Daarmee kon hij de onderzoeksgroep Mesoscale Chemical Systems oprichten. Die onderzoekt de mogelijkheden van additive manufacturing voor het realiseren van microreactoren die geschikt zijn voor katalyseprocessen. Niet alleen 3D-printen maar ook elektrospinning krijgt daarbij de aandacht.

Prof. dr. Han Gardeniers
in het laboratorium van Universiteit Twente

WIE IS HAN GARDENIERS?

Han Gardeniers volgde de opleiding Chemie aan de Radboud Universiteit van Nijmegen. Nadat hij er in 1985 afstudeerde, besteedde hij vijf jaar aan zijn promotieonderzoek dat zich afspeelde op het vlak van experimentele vastestoffysica. Daarna was hij 11 jaar universitair docent bij het departement elektrotechniek aan de UT. Vervolgens stapte hij over naar het bedrijfsleven waar hij verschillende functies bij diverse bedrijven vervulde.

“Het voordeel van werken met microreactoren is dat je processen ook onder extreme condities relatief veilig kunt laten verlopen"

“Ook hier liep chemie als een rode draad door mijn werkzaamheden heen," geeft Gardeniers aan. “In 2003 ben ik teruggekeerd naar de UT als hoofddocent bij de groep 'Biosensors Lab-on-a-chip' van de afdeling EEMCS (Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science). Omdat ik graag mijn eigen onderzoeksgroep wilde starten, stapte ik in 2007 over naar de afdeling chemical engineering van de afdeling Science & Technology. Mijn interesse lag bij de ontwikkeling van microreactoren waarmee het mogelijk is om synthese en analyse aan elkaar te koppelen om zo de reactiekinetiek te kunnen meten. Ik was daarmee zijdelings al bezig geweest, maar kon dat door de overgang uitbouwen naar een meer gerichte activiteit."

WAAROM MICROREACTOREN?

De focus van Gardeniers met betrekking tot de ontwikkeling van chemische microreactoren richt zich op korte doorlooptijden door een hoge doorstroom en de mogelijkheid om reacties parallel te laten verlopen.

“Het voordeel van werken met microreactoren is het feit dat je processen ook onder extreme condities relatief veilig kunt laten verlopen. Of het nu om drukken, temperaturen of bijvoorbeeld giftigheid gaat: je werkt altijd op kleine schaal. De processen die je in deze reactoren kunt onderzoeken zijn onder andere van meerwaarde voor de farmaceutische industrie en ook bedrijven als DSM en Shell hadden interesse."

Al eerder leidde Gardeniers projecten waarbij deze bedrijven betrokken waren en ook subsidie verleend is in het kader van onderzoek naar procesintensificatie. In alle gevallen werd hier gewerkt met zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen die reageren onder invloed van verschillende factoren, zoals elektrische velden, ultrageluid of plasma's.

Gardeniers: “Bij het oprichten van een onderzoeksgroep met promovendi en postdocs was het vanaf de start het plan om mijn expertise rond microfabricage te combineren met reactietechnologie voor toekomstige praktische toepassingen. Een recente lijn is bijvoorbeeld het gebruik van zonlicht voor het genereren van waterstofgas in elektrochemische cellen."

CREAM4

De onderzoeksgroep kreeg de naam 'CREAM4'; dit staat voor Chemical Reaction Engineering by Additive Manufacturing of Mesoscale MetaMaterials. Drie elementen staan hier centraal: (photo)chemische reacties, additive manufacturing en mesoscale metamaterialen.

De term metamaterialen wordt hier gebruikt om aan te geven dat door 3D-ordening van elementen synthetische materialen ontstaan met unieke, ongewone functionele eigenschappen die niet voorkomen in natuurlijke materialen. Die materialen kunnen belangrijk worden bij het ontwikkelen van microreactoren voor katalyse en dan vooral waar het de drager van de katalysator betreft. Bij katalyse spelen namelijk drie processen een rol: stroming, massatransport en de reactie die zich aan het oppervlak afspeelt. Die drie processen hebben alle drie een andere tijdsschaal die men kan koppelen aan een bepaalde lengteschaal.

“Het doel is dus om een structuur te bouwen waarbij je de individuele lengteschalen optimaliseert voor de drie tijdschalen zodat je de katalyse maximaal kan controleren of beheersen", geeft Gardeniers aan. “Daarbij wil je het liefst atoom voor atoom stapelen zodat je invloed hebt op de ruimte tussen de gestapelde deeltjes waarvan de tussenruimte het stromingsgedrag bepaalt. Maar ook op de poriën die invloed hebben op het massatransport en het beschikbare reactieoppervlak. Ook wil je een structuur waarin alle katalysedeeltjes precies even groot zijn en op gelijke afstand zitten. Door het eerste worden ze allemaal even actief, het tweede zou kunnen voorkomen dat de grotere deeltjes mogelijk de kleinere aantrekken. Dat heet Ostwald ripening en is een proces dat bekend is als een van de oorzaken van het verouderen van een katalysator. Door het verschil in deeltjesgrootte weg te werken is dat effect wellicht voor een belangrijk deel te elimineren."

Omdat het 'stapelen van atomen' echter niet mogelijk is, wordt in de onderzoeksgroep gekeken naar de mogelijkheid om dergelijke structuren middels Additive Manufacturing te realiseren op nanoschaal.

3D-geprinte polymeren — Poreuze structuur van polymeren vervaardigd d.m.v. een 3D-laserprinter (met een resolutie kleiner dan 1 µm)

3D-PRINTEN VAN POLYMEREN

Het begon bij de aanschaf van een 3D-laserprinter die de gewenste structuur in een polymeer uithardt via stereolithografie. De structuur krijgt daarbij poriën die groter zijn dan uiteindelijk de bedoeling omdat er ook ruimte nodig is voor de plaatsing van de nanodeeltjes (het reactieve oppervlak). Een van de uitdagingen van de onderzoeksgroep bestaat erin om uiteindelijk de nanodeeltjes te kunnen meeprinten.

Ook zal worden geëxperimenteerd met het basismateriaal. Dat is nu een specifiek polymeer, maar Gardeniers maakt liever gebruik van keramisch materiaal. Dat is veel harder en bovendien minder gevoelig voor de invloed van onder meer warmte en reactieve chemicaliën.

“De mogelijkheid om keramische materialen te printen bestaat op zich al, maar niet in de juiste resolutie. Normaal komt men daar niet onder de 30 µm uit terwijl de nieuwe laserprintmethode polymeren print met een resolutie kleiner dan 1 µm. Bovendien ligt er een grote uitdaging in het realiseren van veel grotere geprinte volumes dan tot nu toe op laboratoriumschaal zijn gerealiseerd."

Commerciële opstelling voor het proces elektrospinning, waarbij vloeibaar materiaal door een nozzle wordt getrokken en vervolgens uithardt

ELEKTROSPINNING

Aandacht is er ook voor elektrospinning waar meer mogelijkheden lijken te zijn om keramische materialen te verwerken. Bij elektrospinning wordt vloeibaar materiaal onder invloed van elektrische velden door een nozzle (spuitmondje) naar buiten getrokken, waarna het uithardt. Daarbij ontstaan draden met een diameter die varieert van enkele honderden nanometers tot maximaal 10 µm, waarmee uiteindelijk een gewenste structuur is te bouwen.

Zelf gebouwde opstelling om te experimenteren met elektrospinning met het oog op de opbouw van structuren voor microreactoren

Om dit proces te optimaliseren voor de productie van microkatalysatoren, richt één van de promovendi zich op de druppelvorming van de oplossing die altijd lijkt op te treden aan het einde van de nozzle (een metalen naald) en die een nauwkeurige dikte van de draad frustreert. Om deze druppel te voorkomen, wordt geëxperimenteerd met microfluïdische chips in plaats van metalen naalden, die ook de mogelijkheid bieden om verschillende materialen in de juiste verhouding te mengen tot de juiste samenstelling.

“En er zijn nog vele andere uitdagingen wanneer je middels elektrospinning structuren wilt bouwen," geeft Gardeniers aan. “Wanneer de vloeistof naar buiten treedt, heb je te maken met verdamping en indroging maar ook met kristallisatie, ladingseffecten enzovoort. Bovendien bestaat bij elektrospinnen het effect dat draden in de eerste fase van de productie keurig recht blijven maar zich vervolgens toch chaotisch gaan gedragen door zich in schijnbaar willekeurige richtingen te buigen. Ook deze effecten wil je uiteindelijk beheersen om een regelmatige structuur te kunnen opbouwen.
Daarnaast doen we onderzoek met 'exotische nozzles'. Bijvoorbeeld coaxiale varianten waarmee je een draad en direct een omhulsel/coating produceert. De mogelijkheid bestaat dan later om de draad zelf weg te branden of op te lossen waardoor je een hol buisje overhoudt. Of parallelle nozzles, voor een snellere productie. Een aantal ideeën zijn gebaseerd op ontwikkelingen in de biomedische wereld. Vanuit die hoek wordt dan ook hard meegedacht."

VERLOOP PROJECT

De projectgroep zal zich de komende jaren vooral bezighouden met het opdoen van kennis over technieken voor additive manufacturing om de gewenste microreactoren te realiseren.

“Onderweg zullen we verschillende stadia van structuuropbouw tegenkomen. Op basis van de resultaten bepalen we de volgende stap; wat dat betreft is de weg die we gaan bewandelen dus allesbehalve duidelijk. Wanneer we veelbelovende zaken tegenkomen gaan we daarmee natuurlijk verder. Daarnaast is een promovendi bezig met een concrete toepassing: de mogelijkheden van elektrospinnen voor de productie van structuren waarmee waterstof is te produceren door middel van zonlicht. Daarbij richt hij zich momenteel op nozzles waarmee twee geleiders op elkaar worden geplaatst zodat een veel breder spectrum van het licht is te gebruiken voor dit proces."

"Een promovendi onderzoekt de mogelijkheden van elektrospinnen voor de productie van structuren waarmee waterstof is te produceren door middel van zonlicht"

Het onderzoeksteam werkt nu al veel samen met zowel het bedrijfsleven als andere onderzoeksgroepen binnen de eigen én andere Technische Universiteiten. Bovendien is de onderzoeksgroep uiteindelijk behoorlijk internationaal geworden, iets wat Gardeniers alleen maar toejuicht.

Han Gardeniers besluit (interview afgenomen in aug. 2018, red): “Ik verwacht de groep aan het einde van 2018 helemaal compleet te hebben; zowel promovendi als postdocs. Dan heb ik de mogelijkheid om maximaal vijf jaar onderzoek te doen; officieel gestart op 1 september 2017 en dus nog een fantastische vier jaar voor de boeg. De ERC Advanced Grant heeft alles in een stroomversnelling gebracht, want zonder financiële middelen doe je nu eenmaal niet veel. Het betekende een verhoopte maar nooit verwachte beloning."

ADDITIVE MANUFACTURING ondersteunt chemische katalyse