Onderzoeker TU Delft tovert lucht om in alcohol

Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn, maar TU Delft-promovendus Ming Ma heeft een manier gevonden om alcohol uit de lucht te halen. Wat nauwkeuriger gezegd heeft hij een manier ontdekt om het elektroreductieproces van CO2 zo effectief en nauwkeurig te beheersen dat er een breed scala aan nuttige producten, waaronder alcohol, mee kan worden geproduceerd. Zo kan CO2 als hulpbron worden ingezet, wat weleens cruciaal kan zijn bij het tegengaan van klimaatverandering. Ming Ma promoveerde op 14 september.

Koolstof afvangen en gebruiken

Voor het verminderen van de concentratie CO2 in de atmosfeer zou het afvangen en gebruiken van koolstof (carbon capture and utilization, CCU) weleens een goed alternatief kunnen zijn voor het afvangen en vastleggen van koolstof (carbon capture and sequestration, CCS). De elektrochemische reductie van CO2, waarbij brandstof en waardevolle chemicaliën ontstaan, wordt al enige tijd als veelbelovende oplossing gezien. Bij dit proces wordt de afgevangen CO2 omgezet in koolstofmonoxide (CO), methaan (CH4), ethyleen (C2H4) of zelfs vloeistoffen zoals mierenzuur (HCOOH), methanol (CH3OH) en ethanol (C2H5OH).

Vanwege hun hoge energiedichtheid kunnen koolwaterstoffen binnen de huidige energie-infrastructuur direct en gemakkelijk als brandstof worden gebruikt. De productie van CO (koolstofmonoxide) is ook heel interessant, omdat het als grondstof voor het Fischer-Tropsch-proces kan worden gebruikt, een technologie die in de industrie al breed wordt toegepast om syngas (koolstofmonoxide plus waterstof (H2)) om te zetten in waardevolle chemicaliën zoals methanol en synthetische brandstoffen (denk aan diesel). De afbeelding hieronder laat deze drie verschillende processen zien en de manier waarop de koolstofcyclus mogelijkerwijs met behulp van elektroreductie van CO2 zou kunnen worden gesloten.

Nauwkeurige afstemming van het proces

Ming Ma beschrijft in zijn proefschrift de processen die op nanoschaal plaatsvinden wanneer verschillende metalen worden gebruikt bij de elektroreductie van CO2. Wanneer bijvoorbeeld koperen nanodraden in het proces worden gebruikt, ontstaan er koolwaterstoffen, terwijl er bij zilveren en gouden nanodraden CO wordt geproduceerd. Ma heeft bovendien ontdekt dat het proces zeer nauwkeurig kan worden gereguleerd door de lengte van de gebruikte nanodraden en de stroomsterkte aan te passen. Door de juiste waarden voor deze kenmerken te kiezen, kan hij elk gewenst koolstofproduct maken en combinaties in elke gewenste verhouding, en zo de hulpstoffen produceren voor de drie hierboven beschreven vervolgprocessen.

Met metaallegeringen zijn nog interessantere resultaten te bereiken. Als er alleen platina wordt gebruikt ontstaat er waterstof, en bij goud CO, maar wordt er een legering van deze twee metalen gebruikt, dan blijken er ineens relatief grote hoeveelheden mierenzuur te worden geproduceerd. Mierenzuur is een veelbelovende stof voor gebruik in brandstofcellen.

Schaalvergroting

Nu deze processen in kaart zijn gebracht, moet worden uitgezocht hoe het proces verder verfijnd kan worden, en op grotere schaal kan worden toegepast. Deze volgende stap is voor het team van het Smith Lab for Solar Energy Conversion and Storage van de TU Delft, www.smithsolarlab.com (Ma is de eerste student die bij het Smith-lab promoveert). De Delftse onderzoeker Wilson Smith heeft hiervoor net een ERC Starting Grant ontvangen. Ander werk in datzelfde lab gaat over waterontleding met zonne-energie: simpele oplossing voor efficiëntere en goedkopere productie van waterstof en goedkope, efficiënte en stabiele foto-elektrode voor mogelijk betere waterontleding met zonne-energie.