Gebruik kooldioxide als grondstof

Chemici van de TU Berlin onder leiding van Prof. Dr. Peter Strasser uit het vakgebied “Elektrochemische katalyse en materialen” lieten zich door biokatalyse inspireren voor een nieuwe katalysator voor de kooldioxide-reductie.

Kooldioxide (CO2) is algemeen bekend als een klimaatvervuilende uitlaatgas. De terugkerende vraag is of en hoe men dit gas ook als grondstof zou kunnen gebruiken. Een onderwerp dat onder andere interessant is voor industrieën die bijvoorbeeld grote hoeveelheden koolmonoxide (CO) nodig hebben voor de productie van polycarbonaat of polyurethaan. Dit zijn thermoplastische kunststoffen die bijvoorbeeld worden gebruikt bij de productie van cd’s, brillen en veiligheidslenzen (polycarbonaat) of schuimen, dashboardpanelen en schuimstoffen (polyurethaan).

„Het in het productieproces benodigde koolmonoxide wordt tot nu toe gewonnen uit methaan, een fossiele brandstof“, legt Prof. Dr. Peter Strasser van de TU Berlin uit. „Een proces waarbij niet alleen fossiele brandstoffen worden verbruikt, maar waarbij ook nog kooldioxide ontstaat. De vraag was of je het koolmonoxide per se uit methaan moet winnen of dat er niet ook een mogelijkheid is om het effectief uit CO2 te halen? Het antwoord daarop is: ja, elektrochemisch is dat mogelijk en dit proces wordt momenteel intensief onderzocht, onder andere ook door industriële partners zoals het bedrijf Covestro. Het probleem: de tot nu toe beste bekende katalysator voor deze elektrolyse is nog steeds relatief niet-specifiek en vereist bovendien nog goud of zilver in het reactieve centrum – dus relatief kostbaar.“

In een door Horizon2020 gefinancierd gezamenlijk project van de Technische Universiteit Dresden, de Ruhr Universiteit Bochum, de Universiteit Kopenhagen en de TU Berlin als consortiumleider, heeft de werkgroep onder leiding van Peter Strasser zich beziggehouden met een bi geïnspireerde katalysator, waarvan het actieve centrum is gebaseerd op het actieve centrum van hemoglobine, het zogenaamde porfyrine. Deze bevat in het actieve centrum vier stikstofatomen en in het midden een metaalatoom. Precis deze actieve centrum werd als vaste stof vervaardigd. Er waren al theoretische voorspellingen dat deze zogenaamde porfyrine-motieven elektrochemisch niet alleen zuurstof kunnen reduceren, maar ook zeer selectief uit kooldioxide koolmonoxide kunnen maken. Een van de weinige bijproducten is bijvoorbeeld waterstof. De centrale rol wordt gespeeld door het metaal in het centrum. Het bindt het CO2-molecuul en zet het via verschillende tussenstappen om in koolmonoxide. Hoe effectief deze productie van koolmonoxide is, hangt sterk af van het metaal in het actieve centrum van de katalysator.

„We hebben onder andere nikkel en ijzer als centraal atoom in de katalysator onderzocht. Nikkel is bijvoorbeeld een bijzonder interessant derivaat, omdat het koolmonoxide slechts zwak bindt en het relatief gemakkelijk weer als gas vrijlaat. Als het actieve centrum daarentegen ijzer bevat, is de productie van koolmonoxide aanvankelijk hoger dan bij nikkel, maar wordt het koolmonoxide veel sterker gebonden. Als gevolg hiervan wordt de katalysator ook veel sneller geblokkeerd. Uit de vergelijking van de verschillende katalysator-derivaten konden we aantonen dat, althans op laboratoriumschaal, een voor 99 procent koolstof gebaseerde katalysator met nikkel in het actieve centrum effectiever en selectiever koolmonoxide uit kooldioxide produceert dan de bekende goud- en zilverkatalysatoren“, aldus Peter Strasser over de resultaten van de experimenten.

Hoewel deze katalysatoren tot nu toe op laboratoriumschaal werden onderzocht, worden ze nu op gramformaat geproduceerd en getest bij de industriële partner Covestro in een mini-testinstallatie.

Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2
Wen Ju, Alexander Bagger, Guang-Ping Hao, Ana Sofia Varela, Ilya Sinev, Volodymyr Bon, Beatriz Roldan Cuenya, Stefan Kaskel, Jan Rossmeisl & Peter Strasser
Nature Communications 8, Artikelnummer: 944(2017), DOI:10.1038/s41467-017-01035-z