Yale-team zet CO2 met plasma en stroom om in methanol en butaan

CO2 is berucht als broeikasgas, maar het molecuul kan ook grondstof zijn voor brandstoffen en chemicaliën. Het probleem: de koolstof-zuurstofbindingen in CO2 zijn extreem sterk en laten zich moeilijk breken. Een team onder leiding van scheikundig ingenieur Lea Winter van Yale University publiceerde in Nature Catalysis een methode die dit proces een stuk efficiënter maakt, door plasma te combineren met elektrolyse.

Plasma maakt CO2 alvast los

Normaal gesproken wordt CO2 omgezet met behulp van elektriciteit en een katalysator, een stof die een chemische reactie versnelt zonder zelf te verdwijnen. Die aanpak levert doorgaans alleen simpele producten op met één koolstofatoom. Winters team voegde daar plasma aan toe: een geïoniseerd gas waarin vrije elektronen rondzweven. Die elektronen schudden de CO2-moleculen als het ware los, voordat het gas de katalysator bereikt. Daardoor ontstaan nieuwe reactiepaden die tot complexere producten leiden, zoals methanol en butaan. Dat zijn stoffen met drie of vier koolstofatomen, waar elektrocatalyse alleen niet aan toekomt.

Het probleem met water

Een bekend obstakel bij deze aanpak is water. De meeste opstellingen gebruiken een waterig oppervlak om de reactie te laten plaatsvinden, maar water blust de reactieve deeltjes uit het plasma juist weer, voordat ze de katalysator bereiken. Daardoor gaat het effect van het plasma grotendeels verloren. Om dit te omzeilen ontwierp Winter een systeem met drie gescheiden fasen: vast, vloeibaar en gasvormig. De kern is een membraan van hetzelfde materiaal als in antiaanbaklagen, gedeeltelijk bedekt met een dun laagje koper dat als katalysator dient. Dit membraan houdt het plasma en het water uit elkaar, terwijl een kleine hoeveelheid water toch de nodige waterstofionen levert voor de reactie. Poriën in het membraan laten de plasmadeeltjes door tot de koperlaag, waar ze de protonen ontmoeten en de gewenste chemische reacties op gang brengen.

Grondstof voor pijnstillers en vliegtuigbrandstof

Volgens Winter is de opbrengst van dit systeem een van de hoogste die tot nu toe is gerapporteerd voor de productie van alcoholen en andere producten met drie of vier koolstofatomen uit CO2. Die stoffen zijn bruikbaar als grondstof voor onder meer oplosmiddelen, kunstmest, medicijnen en duurzame vliegtuigbrandstof. Een groot voordeel is dat het proces werkt bij kamertemperatuur en normale luchtdruk, wat opschalen eenvoudiger maakt dan bij technieken die hoge temperaturen of drukken vereisen. Bovendien is de installatie eenvoudig aan en uit te zetten, waardoor hij goed samengaat met wisselende stroom uit zon en wind. Winter wil vervolgens onderzoeken welke katalysatormaterialen de reactie nog gerichter kunnen sturen naar specifieke, waardevolle producten. Ze denkt daarbij ook aan het aanpassen van bestaande chemische fabrieken, in plaats van compleet nieuwe installaties te bouwen.