Pascal Buskens

Onderzoeksgebied

Het gastprofessoraat 'Nanostructured Materials' aan de Universiteit Hasselt (UHasselt) valt onder de faculteit Wetenschappen, opleiding Chemie, en het Institute for Materials Research (imo-imomec). Dit gastprofessoraat wordt aangeboden door de onderzoeksgroep Inorganic and Physical Chemistry (IPC), onder leiding van prof. dr. M. K. Van Bael en prof. dr. A. Hardy. Deze onderzoeksgroep heeft ervaring met het ontwerp, de synthese en de karakterisering van geavanceerde anorganische materialen en coatings, met name metaaloxiden. Het gastprofessoraat 'Nanostructured Materials' vormt de overbrugging tussen de expertise van IPC en twee toepassingsgebieden die van strategisch belang zijn voor TNO en het Brightlands Materials Center: door zonlicht aangedreven duurzame chemische processen en materialen voor de gebouwschil van duurzame gebouwen. Op het gebied van door zonlicht aangedreven chemie ligt de primaire focus op het ontwerpen van anorganische katalysatoren voor de fotochemische hydrogenatie van CO2 in C1-chemicalien en brandstoffen zoals CH4 en CO. In dit onderzoeksgebied kunnen successen worden geboekt door de expertise met betrekking tot de ontwikkeling van anorganische materialen van de UHasselt te combineren met de expertise met betrekking tot katalyse en plasmonica van prof. Buskens, ondersteund door verdere kennis en infrastructuur die beschikbaar is binnen de TNO-afdelingen Materials Solutions (Eindhoven/Geleen) en Optica (Delft). Het onderzoek is gericht op het ophelderen van het reactiemechanisme en de onderliggende fysische principes van plasmonkatalytische chemische conversies. Deze kennis kan vervolgens door TNO worden toegepast voor de rationele optimalisatie van door zonlicht aangedreven chemische processen. Op het gebied van materialen voor de gebouwschil van duurzame gebouwen ligt de focus met name op materialen en coatings met een geavanceerde zonnewarmteregulerende werking voor ramen, en materialen en coatings om de optische efficiëntie en/of esthetiek van in gebouwen geïntegreerde zonnemodules te verbeteren. In dit onderzoeksgebied kunnen successen worden geboekt door de expertise met betrekking tot de ontwikkeling en vergaande karakterisering van anorganische materialen van de UHasselt te combineren met de expertise met betrekking tot functionele coatings en nanogepigmenteerde polymeerfolies van prof. Buskens. Dit wordt ondersteund door verdere kennis en infrastructuur die beschikbaar is binnen de TNO-afdelingen Materials Solutions (Eindhoven/Geleen) en Optica (Delft). Deze onderzoekslijn omvat meerdere producten/functionaliteiten; op dit moment werken we bijvoorbeeld aan een prototype van thermochrome coatings voor zonnewarmteregulerende ramen. Daarbij houden we ons bezig met de volgende belangrijke onderzoeksvragen: (A) Hoe kunnen we doteringsmaterialen effectief integreren in thermochrome VO2-kristallen om de schakeltemperatuur te verlagen van 68 °C naar 20-30 °C, met een minimale negatieve impact op de zonnewarmteregulering? (B) In hoeverre kan er bij zonlichttransmissie een evenwicht worden bereikt tussen het zichtbare gedrag en de zonnewarmteregulering met nanoporeuze thermochrome VO2-coatings op glas, die worden geproduceerd door het samenpakken van VO2-nanodeeltjes? Deze kennis kan vervolgens door TNO en het Brightlands Materials Center worden toegepast voor de rationele optimalisatie van zonnewarmteregulerende ramen voor architectonische beglazing. Mijn onderzoek is relevant voor de TNO-roadmap Duurzame chemische industrie en het Brightlands Materials Center.

Recente resultaten

Met Ru-gebaseerde nanokatalysatoren op een drager van SiO2 en Al2O3 is selectieve conversie mogelijk van groene waterstof en CO2 naar kunstmatig aardgas (CH4) bij een lage temperatuur en met een hoge productiviteit, waarbij zonlicht wordt gebruikt als enige en duurzame energiebron voor dit chemische proces. Met Au-gebaseerde nanokatalysatoren op een drager van TiO2 is selectieve conversie mogelijk van groene waterstof en CO2 naar CO bij een lage temperatuur en met een hoge productiviteit, waarbij zonlicht wordt gebruikt als enige en duurzame energiebron voor dit chemische proces. Fotothermische effecten spelen een belangrijke rol bij door zonlicht aangedreven chemische processen gekatalyseerd door (plasmonische) metalen nanodeeltjes. Belichte katalysatorbedden laten grote non-uniformiteiten in temperatuur zien, die kunnen worden gekwantificeerd met behulp van op Fiber Bragg gebaseerde optische temperatuursensoren. Door hun thermodynamische en kinetische eigenschappen zijn thermochrome pigmenten verkregen door vermaling met een parelmolen of door hydrothermale synthese geschikt voor gebruik in thermochrome coatings en folies voor energie-efficiënte architectonische beglazing.

Begeleiding van promovendi

• Daria Burova (financieringsbron: Interreg Vlaanderen-Nederland, project LUMEN – Zonlicht als brandstof voor duurzame chemische processen en EU-project SPOTLIGHT); een onderzoek naar de impact van plasmonische koppeling op de door zonlicht aangedreven hydrogenatie van CO2 naar CH4.
• Lavinia Calvi (financieringsbron: NWO SIA, RAAK Pro-project Window of the Future en Interreg-project SUNOVATE), Ontwerp, ontwikkeling en karakterisering van nanoporeuze thermochrome VO2-coatings voor energie-efficiënte beglazing.
• Jordi Volders (EU-project SPOTLIGHT), Een onderzoek naar de prestaties en het reactiemechanisme/de onderliggende fysische principes van Au-gebaseerde nanokatalysatoren op een drager van cerium(IV)oxide in de door zonlicht aangedreven omgekeerde water-gas-overgangsreactie

Belangrijkste publicaties

• M. Xu, T. den Hartog, L. Cheng, M. Wolfs, R. Habets, J. Rohlfs, J. van den Ham, N. Meulendijks, F. Sastre, P. Buskens, Using Fiber Bragg Grating Sensors to Quantify Temperature Non-Uniformities in Plasmonic Catalyst Beds under Illumination. ChemPhotoChem 2022, online gepubliceerd.
• P. Martínez Molina, N. Meulendijks, M. Xu, M. A. Verheijen, T. den Hartog, P. Buskens, F. Sastre, Low Temperature Sunlight-Powered Reduction of CO2 to CO Using a Plasmonic Au/TiO2 Nanocatalyst. ChemCatChem 2021, 13, 4507.
• L. Calvi, L. Leufkens, C. P. K. Yeung, R. Habets, D. Mann, K. Elen, A. Hardy, M. K. Van Bael, P. Buskens, A comparative study on the switching kinetics of W/VO2 powders and VO2 coatings and their implications for thermochromic glazing. Solar Energy Materials & Solar Cells 2021, 224, 110977.
• F. Sastre, C. Versluis, N. Meulendijks, J. Rodríguez-Fernández, J. Sweelssen, K. Elen, M. K. Van Bael, T. den Hartog, M. A. Verheijen, P. Buskens, Sunlight-Fueled, Low-Temperature Ru-Catalyzed Conversion of CO2 and H2 to CH4 with a High Photon-to-Methane Efficiency. ACS Omega 2019, 4, 7369.