Om de plastic- en koolstofdioxidevervuiling op te lossen, kunnen we geen toverlamp wrijven of toverstokken inzetten – Alexa noch Google kunnen een handje helpen. Wetenschap staat haaks op magie, maar haar ontdekkingen hebben vaak een fascinerende factor in zich. Een nieuw systeem om tegelijkertijd plastic afval en CO2 te verwerken is er een van.
Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben een zonnereactor ontwikkeld die broeikasgassen en plastic afval kan omzetten in duurzame brandstoffen en chemicaliën, met zonlicht als enige energiebron. Tijdens de testfase werden plastic flessen omgezet in glycolzuur, en CO2 in syngas. Dit is een synthesegas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide, dat de basis vormt voor het genereren van andere vloeibare brandstoffen, polymeren en farmaceutische producten.
Het onderzoek werd uitgevoerd in het Reisner Lab van het Yusuf Hamied Department of Chemistry, van de Britse universiteit. Professor Erwin Reisner is de hoofdauteur van de studie, met promovendi Subhajit Bhattacharjee en Dr. Motiar Rahaman als eerste auteurs.
“In conventionele processen betekent de omzetting van CO2 – hetzij via een foto-elektrochemische reactie – meestal dat zuurstof alleen via een tegenreactie wordt verkregen. Met ons proces kan plastic worden geoxideerd tot een waardevolle chemische stof voor de farmaceutische industrie. “Dit alles met alleen zonlicht als energiebron,” legde Rahaman uit.
CO2 en plastic tegelijkertijd verwerken
De zonnereactor heeft twee compartimenten, één voor de verwerking van plastic en één voor broeikasgassen. Een ionenuitwisselingsmembraan scheidt de twee kamers, die gelijktijdig kunnen werken. Een zonnecel genereert fotovoltage bij zonnestraling die de reactie aandrijft. Het systeem kan zelfs bij een lagere lichtintensiteit functioneren.
Momenteel kan de minireactor voorbehandeld polyethyleentereftalaat (PET)-plastic verwerken. Dit is plastic dat al een chemische behandeling heeft ondergaan. De broeikasgassen kunnen rechtstreeks worden opgevangen – bijvoorbeeld uit de uitlaatgassen van industriële installaties – en vervolgens in de reactor worden gebracht. Door de compartimentering zijn de twee uitgangsstromen gescheiden en is er geen vermenging van producten. In de toekomst willen de onderzoekers elke soort polyester kunststof verwerken.
Flexibiliteit en afstembaarheid
Maar om de reactie te laten plaatsvinden, is er een katalysator nodig – het element dat een chemische reactie versnelt of in gang zet. Binnen het Cambridge-systeem is het aan de katalysator om de twee afvalstromen om te zetten in waardevolle producten. Het ontwerp van het apparaat maakt flexibiliteit en afstembaarheid mogelijk. De katalysator kan worden veranderd om verschillende resultaten te verkrijgen. Ook de zonnemodule kan worden aangepast om de beste prestaties te behouden wanneer de katalysator wordt gewisseld.
“Door de katalysator te veranderen, kan het apparaat worden afgesteld om verschillende resultaten te produceren,” legt Bhattacharjee uit. De wetenschappers experimenteerden met drie katalysatoren, die elk verschillende producten voortbrachten. Ten eerste zette een moleculaire katalysator – een chemische molecule – CO2 om in koolmonoxide. Ten tweede produceerde een bimetaallegering selectief syngas. Ten derde zette een biokatalysator – een enzym – kooldioxide om in formiaat – een vloeibare energiedrager.
Het beste uit zonlicht halen
Een ander belangrijk element van het systeem is de lichtabsorber, gemaakt van perovskietmaterialen. Deze vormen een alternatief voor silicium zonnecellen. Na jaren van onderzoek tonen zij aan dat het rendement van zonnecellen toeneemt. Bovendien kunnen zij worden vervaardigd met goedkopere grondstoffen. In het geval van de onderzoeksgroep in Cambridge kon silicium geen geschikte optie zijn om redenen van overshooting. Een overshoot betekent dat een signaal of functie zijn doel overschrijdt. Perovskiet daarentegen is de beste optie om de reactor in een bereik te brengen waarin kooldioxide en kunststoffen kunnen worden omgezet.
Toch sluiten de onderzoekers het gebruik van silicium in toekomstige versies van de zonnereactor niet uit. “Overschrijding kan in de toekomst worden overwonnen en ontwikkeling op grotere schaal door meerdere batchreactoren in lijn is mogelijk. Bovendien hebben perovskieten een goede absorptiesnelheid in het zichtbare lichtgebied, waardoor de beschikbare zonne-energie maximaal kan worden benut,” legt Bhattacharjee uit.
Bovendien kan de zonnemodule werken met lagere lichtniveaus. Bewolkte dagen brengen de werking niet in gevaar.
Het onbenutte potentieel van zonne-energie
Van de zonnesimulator van het lab tot toepassingen in de praktijk liggen nog vele uitdagingen in het verschiet. “Het belangrijkste probleem is nu om een grotere perovskiet lichtabsorber te hebben, om de outputhoeveelheid te vermenigvuldigen”, benadrukt Rahaman. “Daarnaast willen we de technologie uitproberen met verschillende afvalstromen – zoals biomassa – en parallel daaraan het systeem opschalen, terwijl we gerichte productvorming bereiken,” benadrukt Bhattacharjee.
De zonnereactor van Cambridge zal verder worden getest. De onderzoekers willen hem zo robuust mogelijk maken. Zij geloven dat zonne-energie een spelbreker kan zijn in de aanpak van lucht- en plasticvervuiling. “Er zit niets anders op dan nieuwe technologieën te vinden om deze twee grote problemen van onze tijd aan te pakken”, besluit Rahaman.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
