CO2 als basis voor brandstof

NWT, maart 2009

Shell ondersteunt lopend onderzoek aan de TU Delft naar kunstmatige fotosynthese, dat CO₂ omzet in brandbare koolwaterstoffen. Het zou mogelijkheden bieden om teveel aan groene stroom op te slaan als brandstof.

Fotosynthese, de omzetting van CO₂ en water in suikers door planten en algen onder invloed van licht, is voor chemici een inspirerend proces. Toen de Japanse chemicus Hirokazu Shibata in Delft aan zijn  onderzoek naar kunstmatige fotosynthese begon, koos hij voor een elektrokatalytisch proces waarin een negatieve koperen elektrode CO₂ van zuurstof stript en er stoffen ontstaan als methaan, ethaan, ethyleen en alcoholen – allen geschikt als brandstof.

Het centrum van de proefopstelling is een glazen bol ter grootte van een voetbal, voor twee derde gevuld met water waarin elektroden steken. Een ragfijn belletjesgordijn trekt langs de koperen kathode omhoog. Met deze opstelling onderzocht Shibata welk processen zich eigenlijk afspelen, want de resultaten waren aanvankelijk nogal mysterieus. Voorgaand onderzoek was bijna uitsluitend afkomstig van één Japanse onderzoeksgroep onder leiding van professor Yoshio Hori die er aan de universiteit van Chiba vanaf begin jaren negentig aan werkt. Hori had ontdekt dat alleen het gebruik van koper tot synthese van stoffen leidt. Verwarrend was wel dat de producten die daarbij ontstonden niet alleen afhingen van de voorbehandeling van het koper – Shibata hield koperen strips onder een brander om ze te oxideren – maar ook van de leverancier.

Bij DelftChemTech analyseerde men de gevormde koolwaterstoffen in een systematische reeks van experimenten. Hieruit viel af te leiden dat het proces in twee stappen verloopt: eerst wordt CO₂ gereduceerd naar CO, waarna ook het tweede zuurstofatoom verdwijnt en het koolstofatoom zich omringt met waterstof, koolstof en zuurstof in verschillende samenstellingen. De mate van oxidatie van het koper blijkt te beïnvloeden welke verbindingen zich vormen. Bij geoxideerd koper zijn dat vooral ethaan, ethyleen en alcoholen, terwijl zich aan blank metallisch koper vooral methaan en ethyleen vormen. Is het koper licht geoxideerd, dan rijgen C-H₂ groepen zich spontaan aaneen tot langere ketens.

Maar het proces verloopt nog wel erg traag – ieder experiment vergt uren. Om er een industrieel proces van te maken moet volgens Shibata’s promotor professor Jacob Moulijn de reactiesnelheid duizend keer sneller verlopen.  Daar is verder onderzoek nu op gericht, vertelt Guido Mul, die Shibata begeleidde. De slechte oplosbaarheid van CO₂ in water is de belangrijkste beperking, vertelt hij. Shibata, die in mei op het onderzoek hoopt te promoveren, heeft geprobeerd de lage oplosbaarheid te omzeilen door gasdiffusie-elektroden in te zetten waarin een actieve laag de poreuze scheiding vormt tussen water en gas, en de reactie plaatsvindt op driefase punten tussen gas, koper en water. Zogenaamde ionische vloeistoffen (oplosmiddelen die vrijwel geheel uit ionen bestaan), waarin CO₂ juist oplost en water een beetje, bieden mogelijk uitkomst. Moulijn denkt dat ook een beter reactorontwerp de reactie zal versnellen.

Op industriële schaal zou het een mooi proces zijn voor de opslag van zonne-energie, vindt hij. De olie-industrie, die het broeikasgas CO₂ niet langer kan negeren, heeft al belangstelling getoond. Shell betaalt de volgende vier jaar onderzoek.