De zon wordt chemicus

Diverse chemische stoffen zijn belangrijk voor onze gezondheid en ons comfort. Voor een aanzienlijk deel van die stoffen hebben we fossiele brandstoffen nodig. Bij de verbranding komt koolstofdioxide vrij, wat op zijn beurt bijdraagt tot de klimaatverandering.

Onderzoekers werken aan een methode om het afval van koolstofdioxide om te zetten in die benodigde chemische stoffen. Daarvoor willen ze zonlicht gebruiken. Zo zouden ze de uitstoot op twee manieren reduceren: door het ongewenste gas als ruw materiaal te nemen, en door een beroep te doen op zonlicht – in plaats van op fossiele brandstoffen – als de energiebron voor de omzetting.
Dat proces wordt nu steeds meer een haalbare kaart, dankzij de vooruitgang in zogeheten fotokatalysatoren. De voorbije jaren ontwikkelden onderzoekers door zonlicht aangedreven katalysatoren waarmee ze de resistente dubbele binding tussen koolstof en zuurstof in koolstofdioxide kunnen verbreken.

Het is een kritische eerste stap naar ‘zonneraffinaderijen’ die uit het afvalgas nuttige elementen moeten halen. Denk daarbij aan molecules die kunnen dienen als ruw materiaal voor medicijnen, detergenten, kunstmest en textiel.

Weg van uv-licht

Fotokatalysatoren zijn typisch halfgeleiders. Om de elektronen te genereren die nodig zijn om koolstofdioxide om te zetten, hebben ze hoogenergetisch uv-licht nodig. Maar uv-licht is schaars (amper 5 procent van het zonlicht is ultraviolet) en bovendien is het schadelijk.

Een belangrijke doelstelling is katalysatoren uitbouwen die werken met overvloedig en onschadelijk licht. Om dat doel te bereiken moeten ingenieurs de bestaande katalysatoren, zoals titaniumdioxide, opnieuw onder de loep nemen. Die katalysatoren kunnen nu al efficiënt koolstofdioxide omzetten in andere molecules door te reageren op uv-licht. Maar door ze met stikstof te doteren kan de energie die daarvoor nodig is sterk worden gereduceerd. De aangepaste katalysator heeft nu enkel nog zichtbaar licht nodig om veelgebruikte chemische stoffen als methanol, formaldehyde en mierenzuur aan te maken. Met die stoffen kun je vervolgens adhesieven, schuimen, multiplex, vloeren en ontsmettingsmiddelen produceren.

‘Een fotokatalysator doteren met stikstof, koolstof of fluor zorgt ervoor dat ook zichtbaar licht – met lagere energie – een chemische reactie op gang kan brengen’, zegt Sammy Verbruggen, die dergelijke processen aan de Universiteit Antwerpen bestudeert. ‘Helaas blijkt de stikstof vaak niet stabiel en neemt de activiteit mettertijd af. Daarom gebruiken we ook andere, stabielere materialen die toelaten met zichtbaar licht te reageren. Denk aan nanodeeltjes op basis van goud, zilver of aluminium, die het zichtbaar licht opvangen en concentreren.’

Circulaire economie

Op dit ogenblik gebeurt het onderzoek aan chemie die door zonlicht wordt aangedreven vooral in academische laboratoria. Onder meer het Sunrise-consortium werkt eraan. Het consortium is een in Nederland gevestigd samenwerkingsverband van universiteiten, ondernemingen en onderzoeksinstellingen en organisaties die rond technologie werken. Ook het Max Planck Instituut voor Chemische Energieconversie in het Duitse Mülheim is ermee bezig. Het lab van Verbruggen zet fotokatalyse onder andere in voor luchtzuivering, zelfreinigende en antibacteriële coatings en sensors die farmaceutica in water kunnen opsporen.

Sommige start-ups nemen een andere benadering om koolstofdioxide in bruikbare stoffen om te zetten. Ze gebruiken elektriciteit in plaats van zonlicht om de chemische reacties aan te drijven. Als ze die elektriciteit winnen door fossiele brandstoffen te verbranden, dan zijn ze daarin uiteraard minder milieuvriendelijk. Elektriciteit winnen via zonnepanelen zou al helpen. ‘De reacties aandrijven met elektriciteit in plaats van zonlicht kan nuttig zijn voor productie ’s nachts,’ zegt Verbruggen, ‘maar het mooie aan echte fotokatalyse is net dat het een eenstapsproces is. Het materiaal zorgt zelf voor de reactie met zonlicht en het zet zelf de chemische omzetting in gang. Zonnepanelen of batterijen heb je daar niet voor nodig.’

De komende jaren zullen start-ups en andere ondernemingen zich verder toeleggen op manieren om voordeel te halen uit fotokatalyse. De techniek moet de chemische industrie omturnen tot een sector die afval omzet in waardevolle producten. Dat zou ons een stap dichter brengen bij een circulaire economie, en het moet helpen om het streefdoel van negatieve uitstoot waar te maken.