Elektrochemie voor duurzame energie
Stel je voor: we kunnen met duurzame energie het broeikasgas CO2 omzetten in synthetische brandstoffen. Dan verminderen we én de hoeveelheid CO2, én we hebben een nieuwe manier om bijvoorbeeld wind- en zonne-energie op te slaan. Chemicus Akansha Goyal (Universiteit Leiden) doet fundamenteel onderzoek om dit mogelijk te maken. Op 31 maart promoveerde ze bij Spinoza-laureaat prof. dr. Marc Koper.
Om het duurzaam omzetten van CO2 naar chemische bouwstenen voor brandstoffen economisch rendabel te maken, moet het proces heel efficiënt zijn. ‘We werken met elektroden in een vloeistof met opgeloste zouten en CO2. Deze vloeistof noemen we het elektrolyt’, legt Goyal uit. ‘Een metalen elektrode in het elektrolyt dient als katalysator voor de reactie. Door elektrische spanning op de elektrode ontstaan er chemische reacties aan het grensvlak tussen de elektrode en elektrolyt. Ik keek vooral naar de omzetting van CO2 naar CO, oftewel koolstofmonoxide. Dat is een grondstof voor complexere moleculen.’
Naast deze koolstofdioxide-reductiereactie (CO2RR) treedt ook een andere reactie op: de waterstofevolutiereactie (HER). ‘Daarbij ontstaat waterstof, wat op zich ook een bruikbare energiedrager is’, merkt Goyal op. ‘Maar in dit geval is het een concurrerende reactie die de omzetting van CO2 naar CO minder efficiënt maakt.’
Wat zijn de beste reactieomstandigheden?
Goyal deed fundamenteel onderzoek naar zowel de HER als de CO2RR. ‘Je kunt deze reacties op veel manieren beïnvloeden’, licht de chemicus toe. ‘Bijvoorbeeld via het soort metaal van de katalysator of de vorm van het katalysatoroppervlak. Maar ook de elektrochemische omgeving nabij de katalysator is enorm belangrijk.’
In de literatuur bestond veel onenigheid over de beste reactieomstandigheden. Goyal besloot daarom onder heel goed gecontroleerde omstandigheden te werken, met een volledig vlak katalysatoroppervlak. ‘Ik ontdekte zo onder meer dat de omzetting van CO2 beter verloopt als je de roterende ring-schijfelektrode, die zorgt voor meer convectie in de vloeistof, sneller laat draaien. De optimale reactieomstandigheden blijken ook af te hangen van de precieze samenstelling van de elektrolyt.’
‘Akansha heeft nieuwe inzichten gegenereerd’
Haar promotor prof. Marc Koper is enthousiast over haar onderzoek. ‘Akansha heeft echt fundamenteel nieuwe inzichten gegenereerd over hoe die samenstelling van het elektrolyt de reactiesnelheden van zowel CO2RR als HER beïnvloedt’, zegt hij. ‘Dit geeft ons heel nieuwe gereedschappen om het proces te verbeteren.’
Is het niet handiger om waterstof te maken?
Nog even over die brandstoffen. Zou het eigenlijk niet handiger zijn om waterstof te maken, voor de waterstofeconomie? ‘Waterstof maakt inderdaad deel uit van de energietransitie, daarom hebben we óók onderzoek gedaan naar de HER. Maar op koolstof gebaseerde brandstoffen bieden andere voordelen, zoals een hogere energiedichtheid en het feit dat ze vloeibaar kunnen zijn. En elektrokatalyse van CO2 maakt het economisch aantrekkelijk om dit schadelijke broeikasgas om te zetten in bruikbare stoffen.’ Maar komt er dan niet opnieuw CO2 vrij als je de gevormde brandstoffen gebruikt? ‘Niet als je die CO2 opnieuw in brandstoffen omzet. Dan krijg je een CO2-neutrale cyclus’, antwoordt Goyal.
Het zal nog even duren voor de technologie breed inzetbaar wordt, verwacht ze. ‘Er is nog veel onderzoek nodig, met name voor hogere elektrische stroomdichtheden. Toch bouwt Shell, een van onze onderzoekpartners, al een eerste test-CO2-elektrolyseopstelling. De toekomst ziet er rooskleurig uit.’
Dr. Akansha Goyal voltooide haar bachelor Scheikunde aan de universiteit van Delhi. ‘De wetenschap trok me toen al, maar in India is er weinig financiering voor fundamenteel onderzoek’, vertelt ze. Daarom bemachtigde ze een beurs voor excellente studenten bij de Universiteit Leiden, waar ze de tweejarige master scheikunde afrondde.
‘Tijdens mijn master kreeg ik een Europese Erasmus+ beurs waarmee ik een stage in Schotland kon lopen’, zegt de chemicus. ‘Die draaide om batterij-onderzoek. Zo raakte ik geïnteresseerd in duurzame energie en bij terugkomst in Leiden voerde ik een kleine studie uit bij Marc Koper.’ Dat beviel goed en toen Koper haar een promotieplaats aanbood, nam ze die graag aan.
Wat zijn haar toekomstplannen? ‘Ik werk nu als postdoc en zal voorlopig nog bezig zijn met lopend onderzoek en reviews schrijven. Verder wil ik binnenkort gaan reizen met mijn familie, die speciaal vanwege mijn promotie naar Nederland komt. Heel bijzonder, ik heb mijn familie vorig jaar voor het laatst bezocht. Daarvoor had ik ze lange tijd niet gezien vanwege de coronacrisis.’ Goyal is van plan werkzaam te blijven binnen de elektrokatalyse. ‘Ik wil graag het fundamentele begrip van elektrochemie vergroten om zo bij te dragen aan de overgang naar een koolstof-neutrale energiecyclus’, verklaart ze.
Tekst: Diana de Veld