Om een realistisch beeld te krijgen van industriële katalyse ontwierp Frédéric Thibault-Starzyk een meetcel die massa- en infraroodmetingen combineert.

‘Operando-IR kan de manier waarop we infraroodmetingen doen totaal veranderen’, stelde Frédéric Thibault-Starzyk begin maart tijdens het NCCC-katalysecongres in Noordwijker­hout. En de Fransman heeft een punt. Operando wil zeggen dat je oppervlakken volgt onder industriële condities, dus onder hoge druk en temperatuur in plaats van in bijna-vacuüm. Dat vraagt de nodige creativiteit om de meetcellen te kunnen ontwerpen, en juist daarin is Thibault-Starzyk een meester.

In de mode

Thibault-Starzyks trots, AGIR, combineert IR met gravimetrie. Je hangt je monster, bijv­oor­beeld een katalysator, los in de meetcel en registreert de massa. ‘Oorspronkelijk maten we de lengteverandering van een meterslange spiraalveer. Maar die was veel te gevoelig: je zag hem meedansen als er iemand door het lab liep. Inmiddels ge­bruiken we onderdelen van een commerciële microbalans die op 10 µg nauwkeurig meet.’

AGIR toont welk percentage van de gasmoleculen in de meetcel daadwerkelijk op het monster zit en bijdraagt aan het signaal. ‘Soms zie je enorme verschillen tussen wat je denkt te meten en wat je meet’, legt Thibault-Starzyk uit. ‘Het meeste belandt op de afdichtingen en de wanden van de meetcel. Daardoor lijkt de IR-respons veel zwakker dan ze is. Bij fenol was het verschil een factor honderd.’

AGIR ontstond aan de universiteit van Caen, in Normandië. Om als klein instituut te overleven binnen het Franse onderwijssysteem moest die zich een uniek specialisme eigen maken. Ze koos voor IR-metingen aan vaste oppervlakken. ‘Dat was veertig jaar geleden, toen vrijwel niemand geloofde dat daar toekomst in zat’, vertelt Thibault-Starzyk. ‘Maar dankzij verbeterde spectro­meters raakte het ineens in de mode. In 1989 behoorden we tot de eerste labs die aan operandospectrometrie deden. Nu hebben we er vijf hoogleraren op zitten.’

Een van de toepassingen, die Thibault-Starzyk in Noordwijkerhout liet zien, is de adsorptie doorlichten van alkanen aan een zeoliet. Daarbij spelen zowel vanderwaals­krachten als waterstofbruggen een rol. Alleen die laatste geven een IR-signaal. Een ander project betrof toevoeging van silica aan autobanden om de rolweerstand te verlagen. Om die silica hydrofoob te maken, laat je haar reageren met organo­siliciumverbindingen. ‘Dat gebeurt bij

120 °C in een rubbermenger en van de chemie had niemand een idee. De IR-spectra kun je ook alleen interpreteren met geavanceerde chemometrische technieken, maar we krijgen nu wel een beeld.’

Commercialisering

Een recent aandachtspunt is de meetcel zeer snel opwarmen om zo nauwkeurig mogelijk te weten wanneer de reacties beginnen. Dat blijkt lastig. Thibault-Starzyk: ‘Microgolven liggen voor de hand. Daar­mee verwarm je niet echter alle moleculen, alleen de polaire. Dat verandert de hele chemie.’ Als alternatief experimenteert hij met koude plasma’s die geen warmte inbrengen, maar energie in de vorm van radicalen. Ook dát levert nieuwe chemie op, maar wie weet heb je er iets aan. Een derde mogelijkheid is fotokatalyse: naast IR-bundels laten de KBr-vensters van de meetcel net zo makkelijk zichtbaar licht door. ‘Verbazend dat niemand daar eerder op is gekomen’, vindt de Fransman.

‘Verbazend dat niemand daar eerder op is gekomen’

In de tussentijd bereidt hij de commercialisering van AGIR voor. ‘De huidige versie is nog te gevoelig, maar met de volgende moet het kunnen. De uitdaging is de fabrikant van de spectrometer en die van de microbalans bij elkaar te krijgen. Commercieel liggen dat soort dingen nogal lastig.’