Het is een belangrijke stap op weg naar een circulaire koolstofeconomie.
Ethanol – een biobrandstof – wordt vaak gemaakt uit gewassen als suikerriet en maïs. Maar er zijn meerdere bezwaren te noemen tegen deze manier van ethanolproductie. Ten eerste worden eetbare gewassen omgezet in brandstof terwijl een groot deel van de wereldbevolking honger lijdt. Ten tweede hebben deze gewassen veel ruimte en water nodig. Beter is dus om een afvalproduct te gebruiken. En dan het liefst eentje waar we veel te veel van hebben. Je voelt ‘m vast al aan komen. Want onderzoekers zijn er nu in geslaagd om het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) om te zetten in ethanol.
Ethanol
Ethanol is een bijzonder wenselijk product, omdat het een ingrediënt is in bijna alle Amerikaanse benzine. “Het is een van de meest geproduceerde brandstoffen van alle hedendaagse chemicaliën,” vertelt onderzoeker Di-Jia Liu in een interview aan Scientias.nl. Bovendien wordt het veel gebruikt als tussenproduct in de chemische, farmaceutische en cosmetische industrie. “De traditionele methode om ethanol te produceren vereist veel energie en water,” gaat Liu verder. “Daarom is het heel belangrijk om een efficiëntere manier te vinden om ethanol te produceren.”
Katalysator
En dat is de onderzoekers nu dus gelukt. De onderzoekers slaagden er namelijk in om CO2 en water op een energiezuinige én goedkope manier om te zetten in ethanol. “De omzetting gebeurt met behulp van een katalysator,” vertelt Liu. Dat is een stof die de snelheid van een bepaalde chemische reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. “Het bevordert de chemische reactie met minder energie,” legt Liu verder uit. “Bij de huidige reactie binden CO2 en water zich aan het oppervlak van de katalysator en ondergaan vervolgens een herschikking van hun chemische bindingen. Dit resulteert in de transformatie naar een nieuw molecuul, namelijk ethanol.” Anders gezegd, de katalysator zorgt ervoor dat CO2- en watermoleculen worden afgebroken. Deze worden vervolgens onder een extern elektrisch veld omgezet in het gewenste eindproduct.
Zoals gezegd versnellen katalysatoren chemische reacties. Ze vormen eigenlijk de ruggengraat van vele industriële processen. Ze zijn bijvoorbeeld essentieel bij het omzetten van ruwe aardolie in benzine of vliegtuigbrandstof. Tegenwoordig zijn katalysatoren betrokken bij meer dan 80 procent van alle vervaardigde producten.
Omdat CO2 een stabiel molecuul is, is het omzetten in een ander molecuul normaal gesproken energie-intensief en kostbaar. Maar daar hebben de onderzoekers iets slims op bedacht. “We kunnen het elektrochemische proces van de conversie van CO2 naar ethanol met onze katalysator koppelen aan het elektriciteitsnet,” suggereert Liu. “Op die manier profiteren we van goedkope elektriciteit die afkomstig is van hernieuwbare bronnen zoals zon en wind.” Om ervoor te zorgen dat de geproduceerde ethanol dus echt groen is, zou de benodigde elektriciteit met behulp van wind- of zonne-energie moeten worden opgewekt. Omdat het proces geen hoge temperatuur of druk vereist, kan het snel gestart en gestopt worden, rekening houdend met de beschikbaarheid van duurzame elektriciteit.
Circulaire koolstofeconomie
De methode is veelbelovend. Want het hergebruiken van de koolstofdioxide die wordt geproduceerd bij het verbranden van fossiele brandstoffen, zou helpen kostbare hulpbronnen te behouden en de hoeveelheid CO2 – een belangrijk broeikasgas – in de atmosfeer terug te dringen. “De door ons ontwikkelde katalysator helpt de circulaire koolstofeconomie te verbeteren,” stelt Liu. Uitgestoten CO2 kan namelijk opgevangen worden en nu elektrochemisch omgezet worden in waardevolle producten. En dat ook nog eens tegen redelijke kosten.
Ontwikkeling
Met dit onderzoek hebben onderzoekers dus een nieuw katalytisch mechanisme ontdekt voor het omzetten van kooldioxide en water in ethanol. Dit mechanisme zou tevens de basis kunnen leggen voor de ontwikkeling van hele efficiënte elektrokatalysatoren, die CO2 in een breed scala van nuttige chemicaliën kunnen omzetten. “We hebben onze benadering uitgeprobeerd op verschillende nieuwe katalysatoren,” zegt Liu. “En we kwamen er achter dat ze allemaal zeer efficiënt CO2 omzetten in andere koolwaterstoffen (een organische verbinding die kan worden gebruikt voor het ontwikkelen van brandstoffen, farmaceutische producten, landbouwchemicaliën en kleding, red.). We zijn van plan dit onderzoek in samenwerking met de industrie voort te zetten om deze veelbelovende technologie vooruit te helpen.”
Ondertussen doen ook andere wetenschappers een poging om het vervuilende broeikasgas CO2 om te zetten in een commercieel gezien nuttige samenstelling. Nog niet zo lang geleden presenteerden onderzoekers bijvoorbeeld een manier om CO2 om te zetten in het geurloze gas koolmonoxide; een essentieel ingrediënt voor alle synthetische brand- en kunststoffen. Ook lukte het een ander team om gemanipuleerde bacteriën te ontwikkelen die bijzonder effectief broeikasgassen kunnen omzetten in chemische verbindingen. Deze kunnen vervolgens weer gebruikt worden voor een eindeloze reeks commerciële en industriële producten. Het is goed nieuws voor ons klimaat. Want al deze technieken hebben de potentie om de concentratie atmosferische CO2 terug te dringen en het huidige klimaatprobleem aan te pakken.
