Op weg naar nooit meer tanken
Broeikasgassen in de lucht en meststoffen in het grondwater hebben negatieve gevolgen voor het milieu. Door een elektrochemisch proces zijn ze om te zetten naar bruikbare stoffen zoals brandstof en alchohol. Scheikundepromovendus Elena Perez Gallent ontdekte hoe dit proces efficiënter kan. Ze promoveerde op donderdag 1 februari.
Op dit moment kunnen we schadelijke stoffen in ons milieu zoals broeikasgassen opslaan in de aarde. Omdat opslagruimte beperkt is, zijn langetermijnoplossingen nodig, stelt Perez Gallent. ‘Al sinds de jaren ‘80 is bekend dat het uitlaatgas koolstofdioxide om te zetten is tot brandstoffen zoals methaan, ethyleen en ethanol door middel van elektrokatalyse. Hoe dit proces precies verloopt en hoe verschillende factoren de reactie beïnvloeden staat nog ter discussie,’ legt Perez Gallent uit.
Momenteel is het gebruik van deze methode niet rendabel. Volgens Perez Gallent is het daarom belangrijk te weten welke rol de verschillende factoren in het proces spelen om het efficiënter en selectiever te maken. ‘Maar de hoge complexiteit van de reactie maakt dit moeilijk.’ Daarom analyseerde Perez Gallent onderdelen van de reactie om het proces als geheel beter te begrijpen. ‘Zoals de Romeinen het zouden zeggen: divide et impera, verdeel en heers.’
Koper
Tijdens elektrokatalyse absorbeert een katalysator de beginstoffen. De katalysator zorgt voor de vorming van tussenproducten in een reactie waardoor minder energie nodig is om het uiteindelijke product te vormen. ‘Door hernieuwbare energie te gebruiken zoals wind- en zonnenergie kan dit proces nog duurzamer verlopen,’ voegt Perez Gallent toe. De elektrokatalysator bevindt zich in een vloeistof, de elektrolyt. Zodra elektriciteit door de elektrolyt loopt, worden de stoffen omgezet in verschillende producten.
Om koostofdioxide en nitraat om te zetten naar verschillende producten zijn diverse katalysatoren bruikbaar. Perez Gallent koos voor koper omdat het aantrekkelijk is voor bedrijven om te gebruiken. ‘Koper is ook bij veel verschillende stoffen toepasbaar en goedkoper dan vaak gebruikte katalysatoren zoals platinum, palladium en rodium.’ Ze bestudeerde onder meer hoe de zuurgraad van de elektrolyt en de oppervlaktestructuur van het koper de efficiëntie van de elektrokatalyse van nitraat en koolstofdioxide beïnvloeden.
Vierkante oppervlaktestructuur
Tijdens het vormen van ethyleen uit koolstofdioxide ontdekte Perez Gallent met behulp van een spectrometer een tussenproduct. De aanwezigheid van dit tussenproduct was tot nu toe alleen theoretisch onderbouwd en niet experimenteel aangetoond. Er bleek meer van het product gevormd te worden wanneer het koper een vierkante oppervlaktestructuur had. ‘De oriëntatie van de koperdeeltjes aan het oppervlak bepaalt de stabiliteit van het koper en hoe het de tussenproducten in de reactie opneemt,’ legt Perez Gallent uit.
Voor nitraat ontdekte Perez Gallent dat bij verschillende zuurgraden verschillende stoffen ontstaan. Zo ontstaan bij een lage zuurgraad stikstofmonooxide en ammoniak en bij een hoge zuurgraad hydroxylamine. Voor dit laatste is ook de vierkante oppervlaktestructuur het gunstigst.
Nooit meer tanken
Perez Gallent benadrukt het belang van fundamenteel onderzoek naar dit soort processen. ‘We zijn goed bezig met het ontwikkelen van elektrische auto’s en auto’s op waterstof. Maar we hebben nog een lange weg te gaan voordat we ze allemaal gebruiken en de industrie en infrastructuur erop is ingericht. Daarnaast blijft de huidige hoeveelheid koolstofdioxide en nitraat in ons milieu aanwezig. Idealiter hebben we in de toekomst een apparaat in onze auto’s waarmee we de gassen verzamelen die ontstaan tijdens de verbranding van de brandstof en we ze terug omzetten naar brandstof. Zo kunnen we de hoeveelheid brandstof verminderen en hoeven we misschien nooit meer te tanken.’
De promotie van Elena Perez Gallent vond plaats op donderdag 1 februari van 11:15 tot 12:00 uur in het Academiegebouw (Rapenburg 73, Leiden).