Minder CO2 uitstoten? We kunnen het ook recycleren!

Je herinnert je waarschijnlijk nog wel het begrip fotosynthese uit de lessen biologie of natuurwetenschappen. Het natuurlijke proces waarbij planten en bomen CO₂ uit de lucht halen en met behulp van zonlicht (energie) omzetten in glucose en zuurstof. Binnen de ELCAT onderzoeksgroep van de universiteit van Antwerpen onderzoeken we onder andere of we, net zoals bomen, CO₂ kunnen recycleren met behulp van elektrochemie. Door CO₂ te combineren met hernieuwbare energie en water slagen we er namelijk in om door middel van een elektrochemische reactie dit schadelijke broeikasgas te recycleren tot verschillende waardevolle chemicaliën. Zo kunnen we bijvoorbeeld koolstofmonoxide (CO), methaan (CH₄), ethyleen (C₂H₄) of mierenzuur (HCOOH) maken.

De voorbije jaren is de elektrochemische reductie van CO₂ tot industrieel waardevolle producten een van de meest veelbelovende technologieën geworden om de CO₂ die wij als mensen (door onder andere het verbranden van fossiele brandstof) uitstoten, de zogenaamde antropogene CO₂-uitstoot, te hergebruiken. Tegelijkertijd biedt het een manier om hernieuwbare energie van onregelmatig beschikbare bronnen, zoals wind-, zonne- en waterenergie op te slaan.

Mijn doctoraat focuste zich op het recycleren van CO₂ in mierenzuur. Een chemische stof die je toekomstige laptop of smartphone van energie kan voorzien via een ‘mierenzuur brandstofcel’, maar ook onder meer als conserveermiddel in voedingsmiddelen gebruikt wordt. Zoek de volgende keer maar eens naar E236 op het etiket van je voedingsmiddel.

Het recycleren van CO₂ is helaas niet zo eenvoudig. De elektrochemische reductie van CO₂ vraagt veel energie en geeft meestal verschillende producten tegelijkertijd. Een cruciale rol in dit verhaal is daarom weggelegd voor de katalysator.

Kleine ‘nano’-fabriekjes

Een katalysator is een component die een chemische reactie versnelt, zonder dat hij zelf verbruikt wordt tijdens de reactie. Bij de elektrochemische reductie van CO₂ is deze katalysator meestal metallisch en dubbel zo belangrijk, omdat hij ook nog eens bepaalt welk eindproduct geproduceerd wordt. Zo zullen bijvoorbeeld metalen als zilver en goud voornamelijk koolstofmonoxide maken, terwijl metalen zoals bismut, indium of tin CO₂ recycleren in mierenzuur en koper CO₂ kan omzetten in methaan, ethyleen, enzovoort.

Je kan een katalysator bekijken als een enorme verzameling kleine ‘nano’-fabriekjes, vaak 5 tot 100 nanometer groot, waar CO₂ moleculen toekomen en mierenzuur geproduceerd wordt. Jammer genoeg gaan deze ‘nano’-fabriekjes na verloop van tijd stuk, waardoor de CO₂ moleculen niet meer omgezet kunnen worden in mierenzuur. Tijdens mijn doctoraat¹ heb ik verschillende tin-gebaseerde katalysatoren gemaakt, getest in de elektrochemische reactor en onderzocht hoe en waarom ze, na verloop van tijd, hun activiteit verliezen.

Katalysator.

Reactor.

De elektrochemische reactie vindt plaats aan het oppervlak van de katalysator, waar CO₂, water en elektriciteit samenkomen. Om dit oppervlak zo groot mogelijk te maken en tegelijkertijd zo weinig mogelijk metaal te gebruiken, zijn de meeste elektrokatalysatoren nanodeeltjes.

Deze nanodeeltjes, onze ‘nano’-fabriekjes, worden tijdens het recycleren van de CO₂ heel zwaar belast en zullen hierdoor op verschillende manieren stuk gaan. Zo kunnen de nanodeeltjes loskomen, samenklonteren of net verpulveren. Verder kunnen ze ook ‘vergiftigd’ worden door onzuiverheden in de CO₂ stroom en zullen de tin dioxide (SnO₂) nanodeeltjes na verloop van tijd reduceren tot metallisch tin (Sn), waardoor ze geen CO₂ meer recycleren².

Tijdens mijn doctoraat dat ik heb uitgevoerd in samenwerking met VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) en financieel gesteund werd door Het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO), heb ik deze degradatie in kaart gebracht en proberen tegen te houden door de ‘nano’-fabriekjes te beschermen met een koolstof omhulsel. Op de microscopie beelden zie je duidelijk dat de vorm en structuur beter bewaard blijven wanneer de nanodeeltjes bedekt zijn met een koolstof omhulsel³.

Dweilen met de kraan open

Sinds de Covid-19 pandemie vind je ze bijna overal, de CO₂ meters. Dit handige toestel hielp ons tijdig verluchten door aan te geven wanneer de CO₂-concentratie te hoog werd. Is het je trouwens ooit opgevallen dat hoe goed je ook verlucht, de concentratie aan CO₂ nooit minder dan 420 ppm wordt? Dat komt omdat dit de concentratie aan CO₂ in de atmosfeer van onze aarde is.

Sinds het begin van de tweede industriële revolutie, eind 19e eeuw, versterken een snelle toename van menselijke CO₂-emissies en veranderingen in het landgebruik het natuurlijke broeikaseffect. Jaarlijks wordt momenteel meer dan 40 gigaton of 40000000000000 kilogram CO₂ uitgestoten door menselijke activiteiten.

Hoewel de elektrochemische reductie momenteel nog niet industrieel toegepast wordt, beginnen wetenschappers deze technologie om CO₂ te recycleren op steeds grotere schaal te testen. Zo zijn we bijvoorbeeld binnen de ELCAT onderzoeksgroep hard aan het werken aan een pilootopstelling om CO₂ op grotere schaal te recycleren in koolstofmonoxide (CO). Samen met ons ander onderzoek op verschillende aspecten van de elektrochemische CO₂ reductie trachten we hiermee verschillende belangrijke hordes te overwinnen, zodat deze technologie in de (nabije) toekomst gebruikt kan worden om CO₂ emissies te voorkomen en te recycleren in industrieel waardevolle producten.

Als we de opwarming van de aarde willen beperken tot 1,5 of 2°C, moeten we niet enkel nieuwe technologieën, zoals de elektrochemische reductie van CO₂, ontwikkelen. We moeten ook minder CO₂ uitstoten, anders is dit dweilen met de kraan open. Op de meest recente klimaattop (COP28) in Dubai werd met het historische akkoord al een eerste belangrijke stap gezet richting een netto-nul CO₂ uitstoot tegen 2050.

Noten

1. K. Van Daele., “Enhancing the stability of Sn-based electrocatalysts for the electrochemical CO2 reduction towards formate,” University of Antwerp, Faculty of Applied Engineering, 2023.

2. K. Van Daele et al., “Sn-Based Electrocatalyst Stability: A Crucial Piece to the Puzzle for the Electrochemical CO 2 Reduction toward Formic Acid,” ACS Energy Lett, vol. 6, no. 12, pp. 4317–4327, Dec. 2021, doi: 10.1021/acsenergylett.1c02049.

3. K. Van Daele et al., “Enhanced Pomegranate‐Structured SnO 2 Electrocatalysts for the Electrochemical CO 2 Reduction to Formate,” ChemElectroChem, vol. 202201024, pp. 1–9, Feb. 2023, doi: 10.1002/celc.202201024.