Home
BLIJF OP DE HOOGTE
Ontvang onze nieuwsbrief en digitale magazine
Uw adres wordt nooit aan derden doorgegeven.
Lees onze privacyverklaring.

     

ARTIKEL
‘Onze films zijn net legoblokjes’
Download dit artikel als pdf
Is uw adres bekend, dan wordt de pdf meteen geopend, anders krijgt u een link toegestuurd.
Ook ontvangt u onze volgende nieuwsbrief.

‘Onze films zijn net legoblokjes’

De onderzoeksgroep van prof. Nieck Benes, hoogleraar ‘Films in Fluids’ aan de Universiteit Twente, ontwikkelt nieuwe membranen die werken onder extreme condities zoals hoge druk, temperatuur of zuurgraad. Veelbelovend zijn robuuste precisiemembranen met hybride lagen die zijn opgebouwd uit anorganische en organische verbindingen en holle nanobuizen voor duurzame productie van chemische bouwstenen. De lege ruimte manipuleren, om controle uit te oefenen op de beweging van atomen en moleculen’, was de kern van Nieck Benes’ oratie als hoogleraar ‘Films in Fluids’. De 47-jarige membraantechnoloog ontwikkelt daartoe met zijn groep aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie zeer dunne films, bijvoorbeeld 100 nanometer dik, die verschillende moleculen in verschillende mate tegenhouden.
‘De lege ruimte manipuleren, om controle uit te oefenen op de beweging van atomen en moleculen’, was de kern van Nieck Benes’ oratie als hoogleraar ‘Films in Fluids’. De 47-jarige membraantechnoloog ontwikkelt daartoe met zijn groep aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie zeer dunne films, bijvoorbeeld 100 nanometer dik, die verschillende moleculen in verschillende mate tegenhouden. Behalve op basis van grootte kan die scheiding ook plaatsvinden op basis van andere moleculaire eigenschappen. Zo’n film kan bijvoorbeeld een relatief dichte structuur hebben met daarin verschillende grotere, lege ruimtes waar het ene type molecuul beter past dan het andere type, en waarin groepen met een zekere affiniteit voor bepaalde moleculen aanwezig zijn. Benes werkt veel met hybride lagen die zijn opgebouwd uit anorganische en organische bouwstenen, meestal voor toepassingen onder extreme condities. Zo kunnen scheidingsprocessing zeer exact en op maat aangestuurd worden. De lagen kunnen namelijk eindeloos aangepast en gecombineerd worden. Of om met Benes te spreken: “Onze films lijken opgebouwd uit legoblokjes.” Grensvlakpolymerisatie Benes’ hoogleraarschap ‘Film in Fluids’ verwijst naar het onderzoek aan dunne lagen die kunnen ontstaan door reacties op het grensvlak van twee vloeistoffen met opgeloste stoffen, zoals water en een organische stof. Tussen die twee kan zich onder de juiste condities een keurige polymeerlaag vormen. Benes’ groep past ‘grensvlakpolymerisatie’ toe voor het ontwikkelen van membranen voor toepassing onder extreme condities. De bekendste toepassing van grensvlakpolymerisatie is de grootschalige productie van polyamides. De synthese van ’nylon’ vindt plaatst op de scheidslijn van het tweefasensysteem — een loog en een organisch oplosmiddel — uit opgeloste diamine en dicarbonzuur. Nieuw is ‘Interfacial polymerisation’ niet. Het principe stamt uit 1940, maar is volgens Benes nog steeds relevant. “Dat je er nieuwe dingen mee kunt doen, anders dan het maken van polyamides, door andere chemie te gebruiken, vind ik interessant. Wij zijn op zoek naar high performance polymers met nieuwe eigenschappen die je bij hoge pH’s, drukken en temperaturen (tot boven de 300oC!) ook nog kunt gebruiken. We doen dat bijvoorbeeld door in situ lagen te maken, vaak van hybride materialen, en zo een polymeer op te bouwen.” Kooitjes Bij de synthese van superpolymeren is het de crux op het grensvlak van de twee fasen ijzersterke netwerken te laten ontstaan. Benes noemt in dit kader de silsesquioxanen, familie van de polyoctahedral silsesquioxanes (POSS). Ze nemen kooiachtige vormen of polymeerstructuren aan met Silicium-Zuurstof-Silicium (Si-O-Si)-verbindingen en tetraëdrische (viervlakkige) Si-hoekpunten. Membranen van dit materiaal voor H2/N2-scheidingen presteren ook bij 300oC nog uitstekend. “Wij gebruiken voor grensvlakpolymerisatie bijvoorbeeld op anorganische silica gebaseerde kooitjes. Door vernetting van anorganische en organische verbindingen krijg je een hyper cross-linked netwerk met een bijzonder stabiele performance bij hoge temperatuur of druk. Wij willen weten hoe zo’n polymeer zich gedraagt als we de mate van vernetting veranderen of er andere bruggen tussen bouwen. Zo kun je met een andere vorm van chemie een urethaan in plaats van een amide, of een volledig anorganisch rubber maken.” Vloeibaar rietje Benes’ onderzoeksgroep ontwikkelt ook poreuze, holle membraanvezels, bijvoorbeeld om CO2 elektrokatalytisch om te zetten in CO. De CO kan in combinatie met H2 als syngas in de chemie gebruikt worden voor polymerisatieprocessen. De hiervoor ontwikkelde membraanvezels worden gemaakt via droog-nat spinnen, gevolgd door fasescheiding en warmtebehandeling. Benes heeft een nieuwe methode ontwikkeld zonder organische oplosmiddelen. Hierbij wordt gesponnen met een alginaat — een hydrofiel polymeer uit zeewier — en calciumcarbonaat. In een waterige oplossing reageren beide met elkaar tot een gel die na bakken glasachtig wordt. “Bij het spinnen ontstaat een soort vloeibaar rietje, dat direct na contact met water ‘vast’ wordt. Na splitsing van het calciumcarbonaat, zorgt het tweewaardige Ca++ voor crosslinken. De gel van calciumalginaat kun je in de oven branden tot een keramisch materiaal. Door het sinteren verkrijgt het zijn polymeerstructuur.” Echte device Deze superdunne, holle buisjes van keramiek gaan door toevoeging van koperdeeltjes fungeren als een katalysator voor de elektrisch katalytische reductie van CO2. De poriegrootte van de buisjes ligt rond de 1 micrometer. “Zo kun je een echte device maken voor de productie van CO voor gebruik in syngas. 80% van de elektronen kunnen we gebruiken om CO2 naar CO om te zetten. Traditioneel wordt CO nu onder meer in de staalindustrie geproduceerd door de reductie van ijzererts.” Het Membrane Science & Technology Cluster publiceerde samen met de groep van prof. Guido Mul een artikel over de technologie in Nature Communications 2016, 7, pp | 0748. “Vezeltjes zelf maken is niet zo uitdagend. Deze combinatie met koper is dat wel. Wij als groep waren bij dit project onderdeel van een ISPT [Institute voor Sustainable Process Technology, red.] en werkten samen met behoorlijk wat partners.” Complementaire technieken De groep beschikt over een goed geoutilleerd laboratorium om de eigenschappen van polymeren te beproeven en hun ontwerp te optimaliseren. Zo kan de beweging van moleculen in materialen (in de keten) onderzocht worden en hun invloed op de materiaaleigenschappen bij variabele omgevingsparameters. Er kan in het lab gemeten worden onder zeer hoge drukken tot wel 20 MegaPascal (200 bar) en temperaturen van 200oC of hoger. Zo worden extreme condities gesimuleerd die ook in (industriële) processen kunnen optreden en robuuste oplossingen behoeven. Achter de moleculaire kinetiek schuilen veelal diffusieprincipes, verklaart Benes: “Wij hebben complementaire technieken tot onze beschikking om in situ met spectroscopische methoden bewegingen van ketens te bestuderen. We bekijken bijvoorbeeld wat er gebeurt als je de film van een membraan in contact brengt met een solvent. Er gaan dan moleculen in zitten, een proces dat verandert in de tijd als functie van temperatuur of druk. We kunnen ook iets door het membraan laten permeëren of stroom door de poriën laten gaan. De relaxatie [het ontspannen van het polymeer na een belasting, red.] van hydrogels, die bij toevoeging van water helemaal opzwellen, bestuderen we met een elipsometer. Die techniek is steeds beter geschikt voor applicaties. Lineair gepolariseerd licht wordt elliptisch gepolariseerd met dit instrument, wat iets zegt over de brekingsindex en de dikte van het membraan.” Het variëren van omgevingsparameters maakt het mogelijk temperatuurafhankelijke overgangen te zien. “Zoals van glas naar rubberachtig en het herkennen van fronten die door het materiaal lopen. Zo kunnen we met broadband diëlektrische spectroscopie bepalen welke bewegingen in materiaal plaatshebben. Naar het effect van oplosmiddelen op deze bewegingen wordt nog gekeken, terwijl de aanwezigheid van moleculen in het materiaal veel betekent voor de dynamica van polymeren.” Kansrijke toepassingen Elektrificatie is de toekomst in de procestechnologie. Hernieuwbare energie moet de hiervoor benodigde stroom leveren. Fossiele brandstoffen zullen uitgefaseerd worden, al kan dat nog even duren. Benes’ groep loopt alvast voor de troepen uit. Doel is een breed portfolio aan membranen ontwikkelen voor kansrijke toepassing in de markt. “Door de opkomst van elektrokatalyse worden elektronen steeds belangrijker in de procestechnologie, zie onze ontwikkelingen met anorganische vezels. Daarmee kun je elektronen gebruiken om CO2 om te zetten naar bouwstenen. Hollow fibers bieden een efficiënte vorm van elektronenoverdracht, waardoor je op grote schaal goedkoop je grondstoffen kunt maken. We hebben nog geen device met dit soort membranen gemaakt, er loopt wel een project waar drie aio’s op zitten. Het is eeuwig zonde om mooie, fossiele brandstoffen te verbranden, je kunt er beter bouwstoffen van maken.”
MAXUS MEDIA
LABinsights.net LABinsights.de LABinsights.nl
Ontvang onze nieuwsbrief
Nieuwsbrief archief
Volg ons
Linked
MAGAZINE
Abonneren
SERVICE EN CONTACT flag