Leidse chemici verbeteren elektrische productie van duurzame chemische bouwstenen
Als je CO2 met behulp van elektriciteit kan omzetten naar bouwstenen voor andere moleculen, kun je de chemische industrie flink verduurzamen. Leidse chemici hebben een fundamenteel onderdeel van dit proces ontrafeld en die kennis toegepast in een echt apparaat, schrijven ze in Nature Catalysis en Nature Communications.
De chemici uit de groep van hoogleraar Marc Koper maakten voor hun onderzoek gebruik van een proces genaamd elektrochemische reductie. Voor dit proces lossen ze CO2 op in elektrolyt, een mengsel van water en een zout. Hier zetten ze een elektrode in, die in dit geval gemaakt is van goud.
‘Zodra we elektriciteit door de elektrode laten lopen reageert de CO2 op het oppervlak van de elektrode’, legt promovendus Mariana Monteiro uit. ‘Je vormt dan CO, ook wel bekend als koolmonoxide. Dit is een nuttige bouwsteen in de chemie, die we normaal gesproken uit fossiele grondstoffen maken. Deze reactie kan dus een mooie manier zijn om met duurzame elektriciteit de chemische industrie van de olie af te helpen.’
Rol van het zout
Veel onderdelen van de reactie zijn al vaak onderzocht, maar toch waren er nog vragen. Monteiro: ‘We wisten dat je de reactie kon verbeteren door het zout te veranderen, maar het mechanisme hierachter was nog onbekend. Daarom hebben wij onderzocht wat er gebeurt als je de positief geladen ionen, oftewel kationen, uit het elektrolyt laat.’
Verrassende uitkomst
De uitkomst van het experiment was verrassend, maar wel heel duidelijk: er gebeurde niks. De reactie bleek niet te werken zonder kationen. Om zeker te weten dat dit niet een specifiek mechanisme was voor een goud-elektrode, testte Monteiro en haar collega’s het ook nog met elektrodes gemaakt van koper en zilver.
‘Ook hier zagen we geen reactie’, zegt Monteiro. ‘Maar zodra we ook maar een klein beetje kationen toevoegden zagen we ineens dat de reactie weer ging lopen.’ Met de hulp van theoretici van het Catalaans Instituut voor Chemisch Onderzoek wisten de onderzoekers ook het achterliggende mechanisme te ontrafelen. Monteiro: ‘De berekeningen laten zien dat de kationen een interactie aangaan met het zuurstofatoom van de CO2, en dit zorgt ervoor dat de reactie op de elektrode kan gaan lopen.’
Animatie
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofInteressante toepassing voor industrie
Met deze kennis in het achterhoofd konden de chemici aan de slag met een grootschaligere toepassing van het proces. Dit deden ze in samenwerking met chemiebedrijf Avantium, en met een iets andere opstelling.
In plaats van de normale goud-elektrode gebruikten ze een gasdiffusie-elektrode, die een barrière vormt met aan de ene kant het waterachtige elektrolyt en aan de andere kant CO2-gas. ‘Dit is interessant voor de industrie, omdat je dan het CO2-gas langs de elektrode kan laten stromen en zo continu CO kan produceren’, zegt Monteiro.
Efficiënt, zonder bijproducten
Het proces bleek goed te werken, en ook zoals verwacht te reageren op verschillende kationen. De onderzoekers kregen het voor elkaar om CO te produceren met bijna geen bijproducten. Monteiro: ’En we wisten de energie-efficiëntie ook met dertig procent te verbeteren omdat we een zuur elektrolyt gebruiken. Dat betekent dat er minder duurzame elektriciteit nodig is om het proces te draaien.’
Monteiro is blij met de bevindingen, en hoopt dat de opgedane kennis op termijn echt impact kan hebben: ‘Ik vind het fijn dat we met deze fundamentele kennis het proces op grotere schaal kunnen verbeteren en verduurzamen, en hopelijk echt een verschil kunnen maken.’
100 vierkante centimeter
Maar de promovendus verwacht niet dat het systeem meteen bruikbaar is: ‘We werken nu met een elektrode die ongeveer 10 vierkante centimeter groot is. Voor de industrie is minstens een elektrode van 100 vierkante centimeter nodig, dus daar is nog wel wat werk te verzetten. Bij het opschalen komen we vast nieuwe problemen tegen, maar als we samenwerken met technologen moet het zeker lukken.’
Publicaties
- Mariana C.O. Montero et al. Absence of CO2 electroreduction on copper, gold and silver electrodes without metal cations in solution, Nature Catalysis (26 juli 2021)
- Mariana C.O. Montero et al. Efficiency and selectivity of CO2 reduction to CO on gold gas diffusion electrodes in acidic media, Nature Communications (16 augustus 2021)
Tekst: Renée Moezelaar