Omgekeerd: van CO2 naar benzine

Dr.ir. Riming Wang promoveerde op 8 januari bij de onderzoeksgroep catalysis engineering (Technische Natuurwetenschappen) op een nieuw soort katalysator voor de reductie van CO₂. Het project begon met het idee om CO₂ te reduceren. Eén manier om dit te doen is door een reactie in te zetten op duizend graden Celsius, een proces dat thermokatalyse heet. “De hoge temperatuur heeft verschillende nadelen”, zegt Riming Wang. Daarom koos Wang voor een chemische reactie gedreven door elektrische stroom: elektrolyse.

Schematische elektrolyse voor waterige oplossing. (Illustratie: Sija van den Beukel)

Energieopslag
De elektrische stroom die nodig is voor de elektrolyse, zou kunnen komen van zonne- en windenergie. Omdat de hoeveelheid zon en wind wisselt, is er het ene moment een energietekort en op het andere moment een overschot. Goede batterijen om deze energie in op te slaan zijn er nog niet. Wel zou een energieoverschot direct gebruikt kunnen worden om CO₂ te reduceren via elektrolyse. Zo kan CO₂-reductie gebruikt worden als een vorm van energieopslag. Om dit efficiënt te doen, wordt gebruik gemaakt van CO₂-gassen uit de industrie, aangezien de lucht slechts 0,04 procent CO₂ bevat.

Een voetbalveld op een theelepel
Voor elektrolyse is de katalysator – de verbinding die een reactie kan versnellen zonder zelf verbruikt te worden – van cruciaal belang. Wang promoveerde op het gebruik van een nieuw synthetisch materiaal als katalysator voor CO₂-reductie.

Dit nieuwe materiaal bestaat uit kunstmatige kristallen die metalen bevatten, verbonden door organische moleculen, Metal-organic framework (MOF) genaamd. Door de manier waarop de metalen en organische moleculen binden ontstaat er een open kristalstructuur, een soort spons waar vloeistoffen en gassen makkelijk doorheen kunnen. Door de open kristalstructuur van het molecuul is het inwendige oppervlak van een theelepel van dit materiaal (één gram) groter dan het oppervlak van een voetbalveld. Deze eigenschap heeft een grote potentie voor veel toepassingen. Ook maakt het MOFs geschikte katalysatoren.

In zijn toespraak op de verjaardag van de universiteit afgelopen vrijdag zei voorzitter Tim van der Hagen dat de materiaalwetenschappen een sleutelrol spelen bij de energietransitie. Van der Hagen: “Het succes van de energietransitie zal afhangen van nieuwe manieren om energie om te zetten, op te slaan en te transporteren. Daarvoor hebben we geavanceerde materialen nodig.”

Lego
Wang werkte drie jaar van zijn doctoraat aan het ontwerp van de katalysator, de bottleneck in CO₂-reductieprojecten. MOFs zijn zeer ontwerpbaar; net als lego kun je er allerlei structuren mee bouwen. Wang probeerde verschillende combinaties van metaal en organische moleculen voor MOF’s, en ontdekte verschillende efficiënte katalysatoren voor de productie van CO en ethyleen (C₂H₄) uit CO₂.

Schematische gaselektrolyse. (Illustratie: Sija van den Beukel)

Gaselektrolyse
Na het optimaliseren van de katalysator realiseerde Wang zich dat het grotere plaatje – hoe de katalysator samenwerkt met de elektrolyse – ook heel belangrijk is. Omdat CO₂ de meest stabiele koolstof houdende molecuul is, is het moeilijk te reduceren. Bovendien is het slecht oplosbaar.

Voor de elektrolyse in de waterlaag was het rendement dus laag, vergeleken met thermische katalyse. Wang: “Pas toen we een zuivere gaselektrolyse gingen gebruiken, maakten we een enorme vooruitgang: de efficiëntie komt nu dichter bij thermische katalyse.”

Benzine
Wang maakt twee producten van CO₂. Wang: “Het eerste deel van mijn project bestond uit het reduceren van CO₂ tot koolstofmonoxide (CO). Daarna produceerde we ook ethyleen. Dit is een bouwsteen voor polymeren, met andere woorden plastic.” Mierenzuur – veel gebruikt voor farmaceutische producten – is ook een veelbelovend product van CO₂-reductie, maar geen onderdeel van Wangs project. Mierenzuur van CO₂-reductie zit nu in dezelfde prijsklasse als de commerciële prijs voor mierenzuur gemaakt door de petrochemische industrie.

Wang: “Uit CO en waterstof kunnen we gemakkelijk benzine maken. In de Tweede Wereldoorlog werd hiervan al benzine geproduceerd.” Als je de benzine verbrandt, komt CO₂ natuurlijk weer vrij. “Zolang je CO₂ kunt reduceren is dat niet erg, dan maken we de cirkel weer rond.”

Wang is net vertrokken naar China waar hij zal werken aan elektronische materiaalontwikkeling aan het Shenzhen Institute of Advanced Technology.

• Dr.ir. Riming Wang, Metal-organic Framework Mediated Electrode Engineering for Electrochemical CO2 Reduction, PhD supervisors: prof. Freek Kapteijn en prof. Jorge Gascon. Verdediging, 8 januari 2020.

Sija van den Beukel / Freelance journalist