Nieuwe katalysator maakt betere omzetting van broeikasgassen in nuttige stoffen mogelijk

By Hildegard Suntinger

Waarom we hierover schrijven:

De bevindingen van dit project brengen de grootschalige toepassing van technologieën voor koolstofafvang en benutting dichterbij en daarmee een duurzame circulaire economie op het gebied van onvermijdelijke broeikasgasemissies.

Het Europese klimaatbeleid probeert de productie van schadelijke broeikasgassen grotendeels te voorkomen. Waar dit niet mogelijk is, zijn technische oplossingen nodig. Zoals het afvangen en omzetting van schadelijke broeikasgassen als CO₂ en methaan. Dit levert waardevolle synthesegassen op die kunnen worden omgezet in een reeks nuttige chemische en materiële producten. Bijvoorbeeld kunststoffen, of groene kerosine voor de luchtvaart. Als je de broeikasgassen omzet in methanol, krijg je een basismateriaal voor de chemische industrie, waarvan jaarlijks honderden miljoenen tonnen nodig zijn, legt professor Christoph Rameshan van het Instituut voor materiaalchemie van de TU Wien uit.  

CO₂ afvangen en hergebruiken

CO₂ afvangen en hergebruiken is in principe al mogelijk, maar industriële toepassing wordt soms nog belemmerd door de hoge kosten van het proces. Dat komt omdat CO₂ een uiterst stabiele molecule is. Om het om te zetten is veel energie en efficiënte katalysatoren nodig. Aan de katalysatorzijde is reeds aanzienlijke vooruitgang geboekt. Het struikelblok is echter de zogenaamde klontering en verkalking van de katalysatoren. Dit betekent dat zich op deze katalysatoren snel een laagje koolstof vormt, waardoor ze snel hun efficiëntie verliezen, aldus Rameshan.

Inefficiënte metaalkatalysatoren

Conventionele metaalkatalysatoren bestaan meestal uit een goedkoop oxide als dragermateriaal – waarop metalen nanodeeltjes worden aangebracht, zoals nikkel (Ni), kobalt (Co), koper (Cu) of edele metalen. Deze nanodeeltjes moeten fijn verdeeld zijn om onder reactieomstandigheden een hoge efficiëntie te vertonen – en mogen niet samenklonteren of verkolen.

“Deze stabiliteit is er meestal niet, waardoor bijvoorbeeld metaalkatalysatoren de neiging hebben kleine koolstofnanobuisjes te produceren,” legt Florian Schrenk uit, die momenteel aan zijn proefschrift werkt in het team van Rameshan. En deze nanobuisjes zetten zich dan af als een zwarte film op het oppervlak van de katalysator en blokkeren deze. Hoe hoger de voor een proces vereiste temperaturen, hoe sneller de katalysatoren hun efficiëntie verliezen. Koolstofafvang- en -gebruiksprocessen vereisen gewoonlijk zeer hoge temperaturen, waardoor deze problemen meestal zeer pregnant zijn.

Oostenrijkse microbioloog pleit voor methaan als brandstof voor de auto-industrie

Onderzoekers werken op alle niveaus aan alternatieve mobiliteitsconcepten. Van batterijen tot waterstof en methaan.

Perovskietkristallen

De onderzoekers rond Rameshan volgen een nieuwe aanpak. Zij gebruiken perovskietkristallen en onderwerpen die aan een speciale voorbehandeling die dat ongewenste effect voorkomt. Perovskieten worden gekenmerkt door een hoge temperatuurstabiliteit. Zij worden bijvoorbeeld ook gebruikt in vaste-oxidebrandstofcellen met bedrijfstemperaturen van ongeveer 1000 graden Celsius. Daardoor zijn ze ideaal voor koolstofafvang- en -gebruiksprocessen. 

“Perovskieten zijn zuurstofhoudende kristallen die je kunt voorzien van verschillende metaalatomen,” aldus Rameshan. “Je kunt bijvoorbeeld nikkel of kobalt toevoegen aan het perovskiet; metalen die ook al eerder in katalyse zijn gebruikt.”

Dit materiaal kan naar het oppervlak worden gebracht door het kristal voor te behandelen, bijvoorbeeld met waterstof bij 600 graden Celsius. Dit vormt fijn verdeelde nanodeeltjes die verankerd zijn aan het oppervlak. Deze nanodeeltjes lossen het probleem van het samenklonteren van de nanodeeltjes op.

Grootte van de nanopartikel bepalend

De onderzoekers stelden vast dat het succes van het experiment sterk samenhing met de grootte van de nanodeeltjes. De gewenste chemische reactie trad op bij nanodeeltjes met een diameter van 30 tot 50 nanometer. Tegelijkertijd voorkomt de zuurstof in het perovskiet de vorming van koolstofnanobuisjes – en dus de verkooksing van de katalysator. 

“Wij konden in onze experimenten aantonen dat de exacte grootte van de nanodeeltjes cruciaal is als je koolstofafzetting wilt vermijden – en het gevaar van verkooksing wilt elimineren. Als de grootte van de nanodeeltjes juist wordt gekozen, blijven zij stabiel en verandert de structuur van de katalysator niet. Dat betekent dat het permanent gebruikt kan worden.”

Florian Schrenk, promovendus aan het Instituut voor materiaalchemie van de TU Wenen

Duurzame kringloop

De nieuwe perovskietkatalysator is geschikt voor droge reforming, een proces waarbij methaan (CH4) en kooldioxide (CO₂) thermochemisch worden omgezet. Methaan en CO₂ zijn de twee door de mens veroorzaakte broeikasgassen die het meest bijdragen tot de klimaatverandering. Waar ze vandaan komen is niet van belang voor het droog reformeren. Mogelijke bronnen zijn bijvoorbeeld industriële afvalgassen of CO₂-houdend aardgas.

“Zij komen echter vaak voor in combinatie met biologische stoffen, zoals in biogasinstallaties, zegt Rameshan en vervolgt: “Bij droge reforming van methaan kunnen beide gassen tegelijkertijd worden omgezet in nuttige synthesegassen. Methaan en kooldioxide produceren waterstof (H₂) en koolmonoxide (CO) – en het is dan relatief eenvoudig om daaruit andere koolwaterstoffen te produceren, tot en met biobrandstoffen toe.”

Afhankelijk van de gekozen reactieparameters kan de samenstelling van het resulterende synthesegas worden beïnvloed. Zo zou de verdere verwerking van klimaatschadelijke broeikasgassen tot waardevolle producten een belangrijke bouwsteen kunnen worden voor een duurzame, circulaire economie.

Toepassing op grote schaal

Momenteel werken de onderzoekers aan het opschalen van de nieuw ontwikkelde materialen voor toepassing op grote schaal. Daarvoor moeten ze in een specifieke vorm worden gegoten. Het eenvoudigste zijn pellets, zoals we die kennen van pelletverwarming,” legt professor Rameshan uit. Hij hoopt dat het project uiterlijk over anderhalf jaar zover is gevorderd dat perovskieten als commercieel materiaal kunnen worden aangeboden. Dit zou de efficiëntie van technologieën voor koolstofafvang en -gebruik vergroten. 

Nieuwe emissievrije manier om waterstof en koolstof uit aardgas te winnen

Wetenschappers van de Montan-universiteit Leoben hebben een manier gevonden om aardgas te splitsen in waterstof en koolstof. En dat emissievrij.

Politieke steun

Het hoge energieverbruik kan niet worden vermeden. Dat blijft helaas onopgelost, aldus Rameshan. Dit zal afnemen met de toenemende capaciteit. Maar er zijn ook regelgevende stappen nodig van de kant van de politici. Het doel is de prijzen voor hernieuwbare energiebronnen te verlagen en processen voor het afvangen en benutten van koolstof te bevorderen en concurrerend te maken. Dit zou kunnen gebeuren via heffingen, bijvoorbeeld op de prijs van CO₂-certificaten.