Fotosynthese in een glazen bol

Aanvankelijk doet het verhaal van CO2-reductie denken aan de omstreden ontdekking van koude kernfusie, nu twintig jaar geleden. Ook toen ging het om één onderzoeksgroep die met een eenvoudige proefopstelling resultaten behaalde die de wereld verrasten: bij de hydrolyse van zwaar water aan een palladium elektrode ontstond een onverklaarbaar grote hoeveelheid warmte, hetgeen volgens de onderzoekers op een nucleair proces wees. Nu gaat het om de omzetting van het broeikasgas CO2 in een aantal verschillende nuttige verbindingen, zoals methaan, ethaan, ethyleen en alcohol. De opstelling is wederom eenvoudig: een gesloten glazen bol met elektroden bij kamertemperatuur en atmosferische druk. En ook nu is het voornamelijk één onderzoeksgroep, die van prof. Yoshio Hori, die er aan de universiteit van Chiba al vanaf begin jaren negentig aan werkt. Dit keer is niet palladium, maar koper het beslissende element.
Volgens universitair hoofddocent dr. Guido Mul (DCT, Technische Natuurwetenschappen) maakt het niet alleen uit hoe het koper behandeld wordt voor de reactie – promovendus ir. Hirokazu Shibata legde koperen strips onder de acetyleenbrander om ze te oxideren – maar zelfs van welke leverancier het materiaal betrokken werd. Het was dus eerst zaak om de reacties te ontmythologiseren en uit te zoeken wat er zich precies in de glazen bol afspeelde. Shibata vertelt dat hij door de toepassing van Ramanspectroscopie (een optische methode die kenmerkende chemische bindingen zichtbaar maakt) en massaspectroscopie (analyse van gevormde moleculen op basis van hun massa) een beter beeld heeft gekregen van wat zich aan de negatieve koperelektrode afspeelt. De eerste stap in het proces is de reductie van CO2 in CO, wat vervolgens omgezet wordt in een koolwaterstofcomplex aan het koperen elektrodeoppervlak. Wat er verder gebeurt, blijkt sterk af te hangen van de toestand en de voorbehandeling van de koperelektrode. Is het koper geoxideerd, en zijn er positief geladen koperionen aanwezig aan het oppervlak, dan worden voornamelijk ethaan, ethyleen en alcoholen gevormd. Is het koper metallisch -niet geoxideerd – dan ontstaan vooral methaan en ethyleen. Is het koper licht geoxideerd, dan hechten CH2-groepen zich aaneen tot langere ketens. Chemici noemen dat een Fischer-Tropsch proces, naar twee Duitse onderzoekers omstreeks 1920. Guido Mul: “We hebben laten zien dat koper een geschikt materiaal is en dat de oxidatiegraad een belangrijke rol speelt in de bepaling van de producten die uit het proces komen. Dat geeft je een mogelijkheid om het proces te regelen.”
Het belangrijkste obstakel is nu de lage productiviteit van het proces. De omzettingen verlopen traag en de hoeveelheden product liggen in de orde van een honderdste mol per kubieke meter per seconde. Dat moet volgens begeleider Guido Mul en promotor prof.dr. Jacob Moulijn een factor duizend omhoog voordat het proces industrieel interessant wordt. Moulijn ziet wel mogelijkheden: “Er is veel te bereiken met een beter ontwerp van de reactor. Verder kunnen we de temperatuur veranderen en andere elektroden inzetten. Dat verhoogt allemaal de reactiviteit. Geen factor duizend, maar het geeft je leads.”
De beperkende factor is momenteel de slechte oplosbaarheid van CO2 in water, vertelt Mul, want de reactie loopt bij hogere temperatuur (en lagere oplosbaarheid van CO2) trager in plaats van sneller. Shibata heeft het proces al verbeterd met een gasdiffusie-elektrode, waar een actieve laag de scheiding vormt tussen gas en water. De fijne belletjes moeten het reactieoppervlak vergroten.
Een andere mogelijkheid ziet Mul in het gebruik van ionische vloeistoffen, recent ontwikkelde oplosmiddelen die vrijwel geheel uit ionen bestaan. De ideale vloeistof zou CO2 goed moeten oplossen en water een beetje. Maar de gevormde koolwaterstoffen juist weer niet, zodat die zonder aparte scheidingsstap te winnen zijn. Zover is het nog niet, maar ir. Christa Ros is er met een beurs vanuit het Shell Mobility Programme verder mee aan de slag gegaan. “Het vastleggen van zonne-energie in de vorm van brandstof is een mooi concept”, vindt Moulijn nog steeds. “Maar dit soort kunstmatige fotosynteses is nog niet onmiddellijk praktisch toepasbaar.”

Hirokazu Shibata, Electrolytic CO2 Reduction – Catalysis Engineering and Reaction Mechanism, 8 mei 2009

Een demontabel gebouw dat eerder in gebruik is geweest bij de hogeschool InHolland Rotterdam moet per 1 september 2009 zo’n 4600 vierkante meter extra onderwijsruimte bieden aan de TU. Het college van bestuur heeft besloten dit gebouw naast het pand van Luchtvaart- & Ruimtevaarttechniek (L&R) aan de Kluyverweg te bouwen. Dit nieuwe pand, ‘onderwijsgebouw zuid’ genoemd, moet voorzien in de ruimte die L&R nodig heeft en komt ook tegemoet aan de groeiende behoefte van andere faculteiten. Voor het pand was oorspronkelijk 6,9 miljoen euro gereserveerd, maar dit bedrag valt 1,7 miljoen euro hoger uit doordat er 2600 vierkante meter extra oppervlak komt. Voor relatief weinig extra geld krijgt de universiteit dus meer ruimte, vindt het college. Tegelijkertijd past het bij de milieudoelstellingen van de TU: het opnieuw gebruiken van een pand is beter voor het milieu dan een volledig nieuw pand bouwen.