08.10.2020

Onderzoek ARC CBBC naar groene bouwstenen chemie groeit gestaag


In het kort

  • ARC CBBC presenteert nieuw vlaggenschip-onderzoek voor conversie van polymeren.
  • Voorbij de focus op recycling en kleine moleculen wacht ontrafeling chemie op celniveau.
  • Bredere kijk op maatschappelijke aspecten moet succeskans energietransitie vergroten.

 

Knappe koppen bouwen verder

Terwijl zojuist de Nobelprijs voor Scheikunde is uitgereikt voor de ontwikkeling van Crispr-Cas, 'genetische schaartjes' die DNA kunnen aanpassen, bouwt het Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC) onder leiding van Bert Weckhuysen en Nobelprijswinnaar Ben Feringa de activiteiten verder uit. Het onderzoek naar recycling en de inzet van kleine moleculen biedt voldoende uitdaging om de chemie een groene basis te geven, en Feringa buigt zich ondertussen over ontrafeling van de chemie op celniveau.

 

Tekst: Leendert van der Ent

“We staan te midden van nieuwe ontwikkelingen en samenwerkingen in Europa, onder meer via het netwerk Sunergy. En tijdens een missie naar China hebben we een overeenkomst gesloten over onderzoek naar recycling van plastic”, zegt wetenschappelijk directeur Bert Weckhuysen van het Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC) tijdens zijn opening van het jaarlijkse symposium op 24 september. “In de Groningse as wordt nu gebouwd aan het nieuwe laboratorium, terwijl het lab van de Utrechtse hub inmiddels volledig is uitgerust en er een nieuw kantoor in gebruik is genomen. Daarnaast staat er een nieuw groot onderzoeksprogramma in te steigers. Dat onderzoek volgt drie sporen: elektrochemie gericht op CO2-reductie, fotoredox-conversies en depolymerisatie van polyolefinen.” Om deze richtingen te trekken deden verschillende wetenschappers hun intrede. Universitair docent Eline Hutter van de Universiteit Utrecht is actief op het gebied van fotokatalyse en universitair docent Nicolay Kosinov van de TU Eindhoven werkt aan conceptueel nieuwe katalytische materialen, onder andere voor CO2-conversie naar chemicaliën. Universitair docent Marta Costa Figueiredo, eveneens TU Eindhoven, trekt het elektrochemisch onderzoek. Zie onderaan Veelbelovend onderzoek. 

 

"De sociale aspecten bij de grote transitie waar we voor staan zijn heel belangrijk."

 

Niet alleen in de chemie en technologie verbreedt ARC CBBC. Erik Paredis, politicoloog en universitair hoofddocent van het Centrum voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit Gent, mag tijdens het jaarsymposium een lans breken voor samen optrekken met sociale wetenschappen. Hij draait er niet omheen: “Wij hebben verschillende samenwerkingen met exacte wetenschappen op het gebied van transitiebeleid en socio-technologische systeeminnovatie. Daarbij moet ik vaststellen dat we hebben geprobeerd meer samenwerkingen op te zetten, die niet zijn gelukt.”

Bert Weckhuysen: "Het lab van de Utrechtse hub is inmiddels volledig uitgerust en er is een nieuw kantoor in gebruik genomen."

Paredis vindt het vooral belangrijk om breder te kijken dan afstemming van de industriële en academische agenda's. “De sociale aspecten bij de grote transitie waar we voor staan zijn heel belangrijk. Het is goed om daarvan op de hoogte te zijn en daar rekening mee te houden wanneer je als technologische organisatie nieuws naar buiten brengt en hoe je dat doet.”

 

Maatschappelijk debat

Een transitie houdt niet op bij wetenschap en industrie, wil Paredis maar zeggen. “Die partijen hebben de overheid nodig voor hun infrastructuur en financiering. En vandaar gaat het nog breder rond de economische impact: banen en concurrentiekracht. Al die aspecten maken deel uit van de maatschappelijke discussie over innovatie en transitie. Een transitie betekent een uitdaging voor het hele maatschappelijke systeem. Daarin moet je politieke, sociale en ethische factoren afwegen naast de technologische.”

Er liggen onderliggende aannames onder de huidige keuzes, zoals voortgaande groei van het energieverbruik en vertrouwen in technologische doorbraken. De technologische keuzes leiden tot uiteenlopende maatschappelijke winnaars en verliezers. “Wie draagt de kosten en wie krijgt de voordelen? Hoe eerlijk is de verdeling van risico's en opbrengsten? Wat zijn de geopolitieke gevolgen? Het antwoord op die vragen zou invloed moeten hebben op technologische keuzes.” Paredis concludeert dat dergelijke vragen over de energietransitie een maatschappelijk debat vragen om de democratische legitimatie te waarborgen. Hij bepleit daarbij samenwerking tussen sociale en bètawetenschappen, omdat ze samen verder komen. “Europa vereist een dergelijke integratie trouwens ook steeds nadrukkelijker; een van de ambities van Sunergy.”   

 

"De chemie geeft het voorbeeld op weg naar een duurzame toekomst."

 

Zoals Bert Weckhuysen de wetenschappelijke kar voor ARC CBBC trekt in Utrecht, doet professor Ben Feringa dat in Groningen. Hij prijst de samenwerking tussen industrie en de academische wereld om samen de chemie opnieuw uit te vinden met het oog op de toekomst. Hetzelfde geldt voor de multidisciplinaire aanpak en het grensverleggende karakter dat het consortium volgens hem in de praktijk brengt om een hernieuwbare basis onder de chemie te leggen. “De chemie geeft daarmee het voorbeeld op weg naar een duurzame toekomst.”

Ben Feringa prijst de samenwerking tussen industrie en academische wereld om samen de chemie opnieuw uit te vinden.

Hij ziet veel kleine moleculen die tegelijk uitdagingen als kansen opleveren voor benutting als bouwstenen voor chemische producten. Feringa wijst daarbij onder andere op de mogelijkheden van waterstof in katalyse, waarbij het goedkope ijzer wellicht als katalysator kan worden toegepast in een proces met alleen water als afval. “We zijn daarmee nog niet aan toepassingen toe, maar het is een voorbeeld van hoe de chemie van de toekomst vorm begint te krijgen.”


ARC CBBC

In ARC CBBC werken AkzoNobel, BASF, Nouryon en Shell en de universiteiten van Eindhoven, Groningen en Utrecht met steun van de Nederlandse overheid vergaand samen in multidisciplinair chemisch, fysisch, materiaalkundig en procestechnologisch onderzoek naar het gebruik van duurzame en circulaire energie en grondstoffen voor de chemie en de producten van de toekomst.


Spannende grenzen

Op het vlak van de coatings verwijst hij naar de ontwikkelingen gebaseerd op biobased zijstromen. “We hebben inmiddels twee patenten voor dergelijke coatings met functionele eigenschappen, die niet onderdoen voor die van bestaande coatings. Ze zijn zelfs transparant te maken.”

Voor de nog wat verdere toekomst ziet Feringa grote mogelijkheden voorbij de huidige domeinen van recycling en het gebruik van kleine moleculen. “We komen aan nieuwe, spannende grenzen toe, bijvoorbeeld bij het ontrafelen van de chemische werking van een cel. Een cel kan onder omgevingsomstandigheden eiwitten aanmaken. Hoe doet de natuur dat? De toepassing van kunstmatige intelligentie kan ons helpen bij het beantwoorden van de vele vragen die we nog over zo'n complexe moleculaire fabriek – want dat is een cel – hebben. Dat zal ons ondersteunen bij het benutten van moleculaire informatie. Daardoor kunnen we ook van trial-and-error opschuiven naar moleculair ontwerpen. De mogelijkheden zijn groot. Als we onze creativiteit en voorstellingsvermogen gebruiken, zal ons dat ver brengen in het onderzoek.”


Veelbelovend onderzoek

Betere polymerisatie-initiatoren

PhD-studente Eva Blokker doet onderzoek aan de VU in samenwerking met Nouryon naar het rationeel ontwerpen van nieuwe polymerisatie-initiatoren. De meeste huidige initiatoren zijn peroxides die na polymerisatie worden verwijderd of in het materiaal worden geïntegreerd. Blokker bestudeert of koolstof-gebaseerde radicalen met een Double Bond Equivalent (DBE) een aantrekkelijke vervanging zouden kunnen vormen. Betere initiatoren kunnen niet alleen betere initiatie van de polymerisatie bewerkstelligen, maar tegelijkertijd ook stabieler zijn in opslag en een betere temperatuurbeheersing mogelijk maken. De sleutel in het onderzoek ligt bij het afstemmen van de sterkte van de carbon-carbon-verbindingen in de nieuwe initiatoren.

 

Perovskieten voor omzetting zonne-energie

De huidige zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Het gebruik van perovskieten – van bijvoorbeeld lood, jodide en caesium – is nog een recente ontwikkeling. Toch worden in laboratoria met deze nieuwe materialen al vergelijkbare omzettingsrendementen van zonne-energie naar elektriciteit behaald als met het aloude silicium. Dr. Eline Hutter (Universiteit Utrecht) onderzoekt de kansen en uitdagingen rond de inzet van deze metaal-halide halfgeleiders als foto-actieve laag in zonnecellen. Zonnecellen met perovskieten hebben verschillende gunstige kenmerken. Ze kunnen bijvoorbeeld flexibel in objecten zoals dakpannen worden verwerkt. In het proces kunnen ze in oplossing worden gebracht. Sprayen op substraten behoort tot de productiemogelijkheden. Een zeer dunne laag volstaat, omdat perovskieten veel licht absorberen. Hutter richt zich uiteraard op het oplossen van de barrières die er ook zijn. Zo is lood toxisch en zijn perovskieten instabiel; het onderzoek gaat dan ook over het ontwikkelen van stabiele, loodvrije perovskieten, die bijvoorbeeld zilver bevatten.  

 

Het elektrificeren van de chemie

Er zijn maar weinig toepassingen van elektrochemie. Het voorbeeld dat wel grootschalige toepassing kent, mag er zijn: primair aluminium wordt door middel van elektrolyse van aluinaarde gescheiden. Ondanks de hoge elektriciteitskosten, betoogt dr. Marta Costa Figueiredo (TU Eindhoven), maakt deze technologie aluminium tot een relatief goedkoop materiaal. Voordat deze route werd toegepast, was het duurder dan zilver. Toch vormen de hoge elektriciteitskosten voor veel processen de barrière richting toepassing. Dat verandert nu er op sommige momenten een surplus aan duurzaam opgewekte elektriciteit ontstaat, waarbij die energie tijdelijk zelfs negatief geprijsd is.

Dat komt goed uit voor toepassing van elektrochemie, want het proces is eenvoudig aan en uit te schakelen. Elektrochemie kan bij lage temperatuur en druk plaatsvinden en is schaalbaar. Costa Figueiredo onderzoekt onder andere elektrokatalytische conversie van CO2 tot dimethylcarbonaat als bouwsteen voor polycarbonaten. Het omzettingsproces in een elektrochemische cel heeft momenteel helaas nog een zeer lage opbrengst. Ze ontdekte dat dimethylcarbonaat wel wordt gevormd, maar weer verdwijnt doordat het niet stabiel is bij negatieve potentialen. Er ontstaat dan monomethylcarbonaat. Het doel van haar onderzoek is de opbrengst te optimaliseren. 


 


Gerelateerde dossier(s): Duurzaamheid Energie Circulaire economie
Gerelateerde tag(s): Chemie Magazine