De Spaanse katalyse-expert professor Avelino Corma combineert fundamenteel en toegepast onderzoek en is daar heel succesvol in. Hij kreeg er begin januari een eredoctoraat van de TU Delft voor. “Nieuwe dingen ontdekken, en die ontdekkingen toepassen om het leven beter te maken. Dat is mijn drijfveer.”
Ik begrijp dat uw scheikundige belangstelling al vroeg ontstond en dat u als kind stoffen uit planten wilde winnen. Hoe ging dat?
“Ik kom uit een boerengezin. We hadden altijd veel last van slakken die het gewas aanvraten. Die bestreden we met een chemisch strooisel waardoor ze stierven. Toen ik dertien jaar was, zag ik dat het gif methanal bevatte. Ik dacht: dat kan ik ook maken. Dus ik kocht methanol bij de drogist en kaliumdichromaat om het te oxideren. Ik impregneerde er wat kaf mee en probeerde het uit. Tot mijn verbazing kwamen de slakken erop af, maar gingen ze niet dood. Later begreep ik dat methanal bedoeld was om slakken aan te trekken. Ze gingen dood aan het arsenicum, dat niet in mijn mengsel zat.”
Is het normaal dat een jongen van dertien zoiets weet en bedenkt?
“Ik denk het niet. Mensen vroegen zich niet zoveel af in die tijd. Ik wilde gewoon toepassen wat ik op de middelbare school leerde. Het is leuk te weten dat je methanol kunt oxideren, maar als je het kunt toepassen in de wereld om je heen, kun je er misschien problemen mee oplossen. Zo denk ik.”
U bent bekend als een van de grondleggers van het gebruik van zeolieten als katalysator om scheikundige reacties mee te versnellen. Wat zijn zeolieten?
“Dat zijn anorganische driedimensionale structuren die als vaste stof in de natuur voorkomen, maar die ook gesynthetiseerd kunnen worden. De belangrijkste eigenschap is dat ze een regelmatig patroon van poriën hebben in een kristalstructuur waarbij de ligging en de grootte van de poriën constant is. Daarmee kun je moleculen selecteren. Als je bovendien actieve plekken zoals metaalionen binnenin de structuur aanbrengt, kun je een selectie maken van de moleculen die naar binnen komen en reageren.”
Ik las dat de Romeinen al zeolieten gebruikten in hun aquaducten om verontreinigingen te binden. Wanneer kwam u ermee in aanraking?
“Dat was tijdens mijn postdoc-periode in Canada. Daar gebruikten ze zeolieten in de krakers van olieraffinaderijen. In het lab waar ik toen werkte gaven ze niet veel om zeolieten, maar wel om de producten. Mij interesseerden juist de zeolieten. Ik wilde weten wat het voor materiaal was. In die tijd had je maar twee typen synthetische zeolieten die voor katalyse gebruikt werden. Ik zag mogelijkheden voor de katalyse van heel andere reacties, als je maar de ligging en de grootte van de poriën zou kunnen afstemmen op de moleculen die je wilt laten reageren. Daar ben ik toen mee aan de slag gegaan.”
Dacht u dat u zeolieten kon maken zoals u wilde?
“Dat was het doel, maar je weet nooit of je dat bereikt. We zijn heel proefondervindelijk begonnen. Later ontwikkelden we modellen om de structuur en afmetingen onder controle te brengen. Vandaag kunnen we nog niet een zeoliet met poriëngrootte van zeg 5,3 Ångström (1 Ångström= 0,1 nanometer, red) maken in de ene richting en 6,2 Ångström in de andere richting. Wat wel kan is dat we zeolieten synthetiseren met kleine, middelgrote, grote en extra grote poriën en dat kunnen we in een, twee of drie richtingen maken. Dus we komen in de buurt, maar we zijn er nog niet.”
Zeolieten worden nu niet meer alleen in olieraffinage gebruikt, maar ook in waspoeder, korrels voor de kattenbak en de farmaceutische industrie. Wat nog meer?
“Ik denk dat adsorptie en katalyse de belangrijkste toepassingen zijn. Voor de kattenbak worden natuurlijke zeolieten gebruikt, daar ga je geen geavanceerde materialen voor maken. Met gesynthetiseerde zeolieten kun je het moleculaire verkeer beheersen.”
Kunt u daar voorbeelden van geven?
“Neem de PET-flessen, die worden gemaakt uit tereftaalzuur dat op zijn beurt gemaakt wordt door oxidatie van paraxyleen waarbij de twee methylgroepen tegenover elkaar aan de benzeenring zitten. Maar omdat ze ook ergens anders kunnen gaan zitten, moet je het juiste type er uitselecteren. Dat kan met een zeoliet met de juiste poriëngrootte die het gewenste moleculetype, dat de kleinste diameter heeft, selectief doorlaat. Een ander voorbeeld is het kraken van zeer lange moleculen uit aardolie om er diesel of benzine uit te maken. Stel dat je meer diesel wilt dan benzine omdat er meer vraag naar is. Dan wil je de poriëngrootte zo hebben dat diesel uit het reactievat wegstroomt voordat het verder kraakt tot benzine. Dat is wat ik bedoel met beheersing van het moleculaire verkeer.”
Heeft de ontwikkeling van zeolieten het begrip van moleculaire chemie veranderd?
“Dat denk ik wel, omdat zeolieten moleculen samenbrengen in een beperkte ruimte. Hierdoor lijkt het alsof er een hogere druk heerst. Het gevolg is dat de kans op een reactie tussen twee moleculen enorm toeneemt omdat je de moleculen er welhaast toe dwingt.”
Hoeveel verschil maakt dat? Gaan reacties honderd of duizend keer sneller?
“O, meer. Dat scheelt vier tot zes orden van grootte. Als je het goed doet, controleer je niet alleen de moleculegrootte, maar ook de optimale oriëntatie van de moleculen voor de reactie.”
Hangt dat af van hoe je de zeoliet opbouwt?
“Natuurlijk. Daar hangt het heel sterk van af. Stelt u zich eens voor dat wij twee moleculen zijn die samen moeten reageren om een bepaald product te maken. Wij zweven dan vrij door deze grote kamer waardoor het lang kan duren voor we elkaar treffen. Maar als we een klein hokje maken, dan vinden we elkaar makkelijk waardoor de kans op een reactie veel groter wordt. Stelt u zich nou eens voor dat we alleen staand in het kamertje kunnen komen. Dan komen we vanzelf recht tegenover elkaar uit, waardoor de kans op een reactie nog groter wordt. Dat is hoe een zeoliet de kans op een reactie vergroot en daarmee de chemische reactiesnelheid. Het zijn in feite nanoreactoren.”
U ontwerpt en bouwt zeolieten op uw instituut ITQ?
“Dat is één van de onderzoekslijnen. We maken katalysatoren, waarvan zeolieten een plezierig type zijn vanwege de kristallijne opbouw waardoor je precies de structuur weet. Dat is niet bij alle katalysatoren het geval. Ook fijn is dat je bij zeolieten de actieve plekken kent waardoor je met computersimulaties de reacties kunt verkennen die daar plaatsvinden. Maar naast zeolieten werken we met clusters van metalen nanodeeltjes als katalysator.”
In de begintijd van het ITQ, begin jaren negentig, begon ook uw samenwerking met de TU Delft, en een wetenschappelijke competitie met professor Van Bekkum. Waar ging dat over?
“Ach, competitie zou ik het niet noemen. Professor Van Bekkum is een van onze meesters. Nou, we hebben toen hard gewerkt aan een zeoliet met titanium in het kristalrooster voor de katalyse van oxidatiereacties. Indertijd werkten de groepen van Van Bekkum en mij er allebei aan, en we kwamen gelijkertijd met dezelfde resultaten. Dus we moesten opschieten, maar de competitie verliep altijd vriendelijk en positief. We hebben nog steeds contact en ik heb bewondering voor professor Van Bekkum.”
U werkt nu aan gouddeeltjes als katalysator en zelfs als kankermedicijn. Wat zijn uw verwachtingen voor het katalyseveld?
“Tot nu toe zijn we van grote metaaldeeltjes naar nanodeeltjes gegaan. Dat geldt voor goud, maar ook voor platina, paladium, rodium enzovoorts. Maar recent hebben we laten zien dat je nog kleiner kunt gaan. Een cluster van slechts een paar atomen bij elkaar kunnen de reactiviteit enorm versnellen.”
Daarover hebt u toch in Science gepubliceerd?
“Correct. De reden van die reactiviteit heeft te maken met de elektronen die verdeeld zijn over geleidingsband en valentieband. In een cluster van drie of vijf atomen zijn de elektronen van alle atomen beschikbaar voor reacties waardoor ieder atoom bijdraagt aan de katalytische activiteit. Terwijl bij een nanodeeltje alleen de atomen aan de oppervlakte beschikbaar zijn voor chemische reacties. Die clusters van actieve atomen vormen een nieuw onderzoeksveld waar ik veel van verwacht.”
U hebt de reputatie heel succesvol te zijn in het toepassen van fundamenteel onderzoek. Komt dat door uw wens nieuwe kennis toe te passen?
“Ja, dat is de basis. Aan de ene kant onderzoek je hoe de natuur werkt en hoe je daarop kunt ingrijpen. De andere kant is je af te vragen hoe je die kennis kunt gebruiken om de kwaliteit van leven te verbeteren. Laten we de katalytische activiteit van nanoclusters als voorbeeld nemen. Als ik weet dat er chemische reacties plaatsvinden onder gevaarlijke of milieuvervuilende omstandigheden, begin ik na te denken over hoe ik die reacties kan verbeteren met nanoclusters zodat het proces veiliger wordt en minder vervuilend.”
Hoe wint u de belangstelling van de chemische industrie?
“Eerst test ik het idee, en als het werkt vraag ik er patent op aan voordat ik het publiceer. Bedrijven lezen dat en zoeken contact. Het kan ook anders. Met bepaalde bedrijven werken we al lange tijd samen, zodat ik weet waar ze naar op zoek zijn. Als zich dan wat voordoet, benader ik ze met een voorstel om het onderzoek samen op te pakken.”
Hoeveel van die onderzoeksprojecten lopen er momenteel?
“Samen met bedrijven? Twaalf stuks.”
Dat lijkt me druk.
“Erg druk. Het lukt me nog steeds niet een goede balans te vinden tussen wetenschap en privéleven.”
U kreeg vijftien internationale onderscheidingen en negen eredoctoraten. Wat blijft er dan nog te wensen over?
“Het eredoctoraat van de TU Delft is mijn tiende. Wat ik wens? Hetzelfde als toen ik dertien was: nieuwe dingen ontdekken, en die ontdekkingen toepassen om het leven beter te maken. Dat is mijn drijfveer. De eerbewijzen zijn aangenaam en ik stel ze zeer op prijs, maar mijn motivatie is onveranderd.”
De Spaanse katalyse-expert professor Avelino Corma kreeg tijdens de 171ste Diesviering op 11 januari 2013 het eredoctoraat van de TU uitgereikt vanwege zijn succesvolle combinatie van fundamenteel en toegepast onderzoek.
Lijst met eredoctores
CV
Volgens hoogleraar chemische katalyse Freek Kapteijn (faculteit Technische Natuurwetenschappen), die hem heeft voorgedragen voor het eredoctoraat van de TU Delft, is Avelino Corma Canós (1951) een wereldexpert op het gebied van katalyse met ‘zeolieten’. Kapteijn zegt dat het hem niet zou verbazen als Corma een keer uitgenodigd wordt voor ‘een retourtje Stockholm’. Corma studeerde scheikunde aan de universiteit van Valencia, en promoveerde in 1976 in Madrid. Na twee jaar chemische technologie aan de Queen’s University in Canada keerde hij in 1979 terug als onderzoeker bij de Spaanse nationale onderzoeksraad CSIC. Acht jaar later werd hij daar hoogleraar en in 1990 richtte hij het Instituut voor Chemische Technologie (ITQ) op, dat ondersteund wordt door het CSIC en de Technische Universiteit van Valencia.
Kapteijn heeft Corma aanbevolen omdat die als geen ander fundamenteel wetenschappelijk onderzoek weet te koppelen aan toegepast onderzoek. Meer dan duizend wetenschappelijke artikelen en ruim 150 patenten getuigen daarvan. Kapteijn: “Zijn werk en benadering zijn een inspiratie voor velen op het gebied van katalyse en poreuze materialen met toepassingen op velerlei gebied. Zowel op wetenschappelijk als op valorisatiegebied scoort hij daarom uitstekend.”
