Universiteitsdagp. Nanomaterialen voor een duurzame toekomst? zaterdag 1 april Prof. Petra de Jongh Jessi van der Hoeven

Transcriptie

1 Universiteitsdagp zaterdag 1 april 2017 Nanomaterialen voor een duurzame toekomst? Prof. Petra de Jongh Jessi van der Hoeven

2 Overzicht Energie Fossiele brandstoffen - geweldig handig! Duurzame energie wat zijn de problemen? Zijn er oplossingen? Nanomaterialen en Katalyse Goud nanodeeltjes fotograferen

3 Energie Nederlands energiegebruik (Watt per persoon in 2010) Totaal wereldwijd energiegebruik in tera (10 12 ) Watt hernieuwbaar hernieuwbaar (hout) turf steenkool jaar aardgas aardolie wereldwijd energiegebruik energieverbruik (TWj) (TW) historisch voorspelling jaar Bron: International Energy Agency, Centraal Bureau voor de Statistiek

4 Waarom is Fossiel Fantastisch? Vaste stof Vloeistof Gas Electriciteit Brandstoffen (warmte/aandrijving) bouwstenen Grondstoffen voor de industrie

5 Maar (-C-) n + n O 2 (-CH 2 -) n + 1½ n O 2 CH 4 + 2O 2 n CO 2 ½n H 2 O + n CO 2 2H 2 O + CO 2

6 Maar Temperatuur verschil ten opzichte van gemiddelde in o C Koolstofdioxide (CO 2 ) concentratie in de atmosfeer in % jaar aantal jaar voor 2005 Bron: Intergovernmental Panel on Climate Change, NASA Goddard Institute for Space Studies

7 Waarom is hernieuwbaar lastig? ydr weinig voorspelbaar weinig controle! Elektriciteit nacht morgen middag avond Elektriciteits gebruik Windelektriciteit juli augustus september Denemarken, 2013

8 Brandstoffen maken met elektriciteit? Elektrolyse =water splitsen in waterstof en zuurstof: 2H 2 O + elektriciteit =>2H 2 + O 2 ½O 2 duurzame waterstof ½O 2 (H 2 ) "water splitsen"" verbranden katalysatoren stroom water (H 2 O) Maar waterstof is een heel licht gas, en moeilijk op te slaan, te transporteren, te hanteren

9 Ons onderzoek Compacte waterstofopslag:

10 Ons onderzoek Compacte waterstofopslag:

11 Nanomaterialen 5 nm Au 1 gram goud goud nanodeeltjes 1 goudatoom goudkleurig diverse kleuren inert katalytisch actief smelt bij 1064 o C smelt <<1000 o C Bestaat uit Bestaat uit ongeveer (tien)duizenden atomen goudatomen

12 Droomscenario: wind en zon temmen ydr Opslag Electriciteit Waterstof (H 2 ) CO/CO 2 Grondstoffen en Vloeibare Brandstoffen

13 Ons onderzoek: Katalysatoren = waterstof methanol H 2 CO koolstofmonoxide kopernanodeeltje

14 Wat kunnen we maken? Bronnen Synthesegas koolwaterstoffen (vloeibare brandstof) Brandstoffen en Chemische Bouwstenen hernieuwbaar (zon, wind, biomassa, CO 2 en H 2 O ) Fossiel (olie, gas, kolen) Kobalt IJzer synthesegas Nikkel koper(zn) Ethanol (C 2 H 5 OH) Methanol Hogere Alcoholen Dimethylether methaan (synthetisch aardgas)

15 Katalysatoren maken + impregnatie, drogen oplosmiddel verdampt activiteit perkilogram metaal drager Invloed deeltjesgrootte op activiteit goud koper zilver deeltjesgrootte (nm) metaalzoutoplossing reductie metaal nanodeeltjes op drager goud voor CO oxidatie koper voor methanol synthese zilver voor ethyleen epoxidatie verwarmen zout ontleedt metaaloxide op drager

16 Katalysatoren maken

17 Hoe houden we nanodeeltjes stabiel, en dus de katalysator actief? 200 o C GHSV= h % butadiene 30% propene 20% H 2 Butadiene selective hydrogenation 0.5 wt% 3 nm Au on either SiO 2 or TiO 2 tijd in uren Nanodeeltjes zijn lastig te hanteren. Ze hebben de neiging te groeien minder oppervlak per gram minder effectief Ze kunnen ook gemakkelijk bedekt raken met vervuiling.

18 Stabiliteit door dragermateriaal goud nanodeeltjes silica Analyse met elektronenmicroscopie silica porie metaal nanodeeltjes 500 nm Geordend poreuze dragermaterialen

19 Goud nanodeeltjes fotograferen Jessi E.S. Van der Hoeven

20 Nano deeltje ~ 2 cm <100nm *1000x kleiner dan een menselijke haar!

21 Hoe maken we goud nanodeeltjes? We maken goud uit goud 100 nm 100 nm Goud zout (opgelost Au) 100 nm

22 Goud nanodeeltjes zijn niet goud kleurig Goud Nanodeeltjes Bolletjes Au Au Au Staafjes

23 Hoe kunnen we nanodeeltjes zien?

24 Hoe kunnen we nanodeeltjes zien? Mensenlijk oog Licht microscoop Elektronen microscoop nm 275x kleiner 200 nm 3600x kleiner nm

25 De elektronenmicroscoop Sample houder e Elektronen bron (200 kv!) Sample ingang Camera

26 Licht versus elektronenmicroscopie >2000 nm < 100 nm De grote staaf is nog zichtbaar met lichtmicroscoop, de kleine goud staafjes niet

27 Ultra hoge resolutie microscopie Met de elektronen microscoop kunnen we ATOMEN zien! 50 nanometer *Gemaakt in de Universiteit in Antwerpen

28 Elementen indentificeren op nm schaal Welk element zit waar? elektronen Röntgenstraling Sample Au:Ag(atm) = 0.8:0.2 Au: Ag = 0.6:0.4 Au:Ag = 0.4:0.6

29 3D elektronen microscopie Tomografie CT scan Clusters van goud nanostaafjes Roteer het sample

30 Clusters van goud nanostaafjes

31 3D elektronen microscopie CT scan Nieuwste vorm van 3D elektronen microscopie: Ionen Kaas schaven op nanometer schaal 5 10 nm per plakje elektronen

32 Cluster van goud nanostaafjes 3D electronen microscopie

33 Fotograferen van nanomaterialen.met de elektronen microscoop Atomaire resolutie Element specifiek 3D

34