Ma, verbonden aan de Technische Universiteit Delft, laat de opstelling zien waarmee hij werkt: een kleine reactiekamer van plexiglas, gevuld met water waarin via een pijpje CO2 wordt geleid. Cruciaal is een speciaal bewerkt metalen schijfje dat als katalysator dient en de gewenste chemische reacties moet bevorderen (zie ”Katalysator beïnvloedt chemische reactie”).

Ma: „Dankzij de materiaalkeuze en de speciale nanostructuur van de katalysator kunnen we met water waarin CO2 is opgelost een heel scala aan brandstoffen produceren, waaronder alcohol, ethyleen, syngas en andere nuttige stoffen.”

Centraal staat de vorming van syngas of synthetisch gas, een combinatie van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2) waaruit diverse synthetische koolwaterstoffen kunnen worden gemaakt.

Ma: „Echt nieuw is dat niet. Al sinds het begin van de vorige eeuw was dit mogelijk via het Fischer-Tropschproces. De Duitsers gebruikten deze methode tijdens de Tweede Wereldoorlog om op basis van kolen synthetische motorbrandstoffen te maken. Want de nazi’s hadden toentertijd onvoldoende toegang tot oliebronnen om hun dorstige tanks te laten rijden.”

Broeikasgassen

Wereldwijd is er veel onderzoek gaande naar mogelijkheden om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, omdat die verantwoordelijk wordt gehouden voor ongewenste opwarming van de aarde.

Behalve beperking van het gebruik van fossiele brandstoffen zijn er nog twee mogelijkheden om de concentratie van CO2 in de atmosfeer te verminderen.

De eerste optie is het afvangen en ondergronds opslaan van CO2 in geschikte geologische formaties, zoals lege gasvelden: CCS (Carbon Capture and Storage). Dit is een nogal kostbare aangelegenheid en er is maar een beperkt aantal opslagplaatsen dat in aanmerking komt. Bovendien stuit CCS op grote maatschappelijke weerstand. Daarom wil de huidige Nederlandse regering uitwijken naar opslag in de Noordzeebodem.

Een tweede optie is het afvangen en hergebruiken van CO2. Deze methode staat bekend als CCU (Carbon Capture and Utilisation) en lijkt een beter alternatief. De technologie om CO2 te reduceren en om te zetten in brandstoffen en waardevolle chemicaliën lijkt veelbelovend.

Zo ontwikkelden het Duitse bedrijf Sunfire en de Israëlische hightechstart-up NCF (New CO2 Fuels) systemen om bij zeer hoge temperaturen koolzuur met water om te zetten in syngas en daaruit via het klassieke Fischer-Tropsch-proces allerhande koolwaterstoffen te maken. De hoge procestemperatuur wordt verkregen uit de afvalwarmte van de procesindustrie (tot ongeveer 1450 graden Celsius).

David Banitt, CEO van NCF: „We weten dat heel veel warmte in de procesindustrie niet wordt gebruikt, en daar maken we dankbaar gebruik van om ons omzettingsproces mee te voeden.” Vooralsnog hangt er aan deze technologieën een indrukwekkend prijskaartje.

Kamertemperatuur

De Delftse wetenschapper Ma, werkzaam binnen de researchgroep van dr. Wilson Smith, werkt met zijn kleine reactiekamer gewoon bij kamertemperatuur. De benodigde energie om CO2 om te zetten, betrekt hij uit een spanningsbron.

„We hebben verschillende mogelijkheden om de omzetting te sturen, om de gewenste producten te krijgen. Hoofdrolspeler is de katalysator. We hebben geëxperimenteerd met goud en platina, maar ook met goedkopere metalen zoals koper en zilver. Enkele voorbeelden: met platina ontstaat er waterstof, met goud koolmonoxide (CO). Als je met een mengsel van deze twee metalen werkt, leidt dit tot de productie van relatief grote hoeveelheden mierenzuur (HCOOH). Mierenzuur is een veelbelovende vloeistof voor gebruik in brandstofcellen.

Heel belangrijk blijkt de morfologie, de aard van het katalysatoroppervlak. „Met nanotechnologie hebben we allerlei structuren getest. En die bleken, samen met de materiaalkeuze en de aangelegde elektrische spanning, bepalend voor de samenstelling van de geproduceerde koolwaterstoffen. In principe kunnen we het proces afstemmen op de productie van de gewenste stoffen. Maar voorlopig ontstaan er nog allerlei nevenproducten.”

Het is een veelbelovende ontwikkeling. „En we staan nog maar aan het begin”, weet Ma. „De selectiviteit moet verder verbeterd worden, evenals de energie-efficiëntie, al is die nu al best hoog. Ook de levensduur van de nanotechkatalysator is een zwak punt. Daarbij moet het proces worden opgeschaald voor praktische toepassing. Dat vergt een ontwikkeltraject van jaren. Maar ik ben blij dat ik met mijn onderzoek een steentje mag bijdragen aan het beperken van de ongebreidelde CO2-toename in de atmosfeer.”

Katalysator beïnvloedt chemische reactie

De katalysator in de uitlaat van een auto zet schadelijke stoffen in de uitlaatgassen om in onschadelijke. Dit kan normaal alleen onder extreem hoge druk en bij hoge temperaturen. Platina, een van de werkzame componenten van de katalysator, zorgt er echter voor dat dit onder normale bedrijfsomstandigheden kan gebeuren. Platina wordt niet of nauwelijks verbruikt, waardoor de werkingsduur vrijwel onbeperkt is.

Een katalysator is een stof die een chemische reactie kan beïnvloeden zonder daar zelf deel van uit te maken. De beïnvloeding kan positief katalytisch zijn –de reactie wordt in dat geval versneld– of negatief katalytisch – de reactie wordt dan vertraagd.

Poederblussers werken bijvoorbeeld negatief katalytisch. Een klassiek voorbeeld van positieve katalyse is de combinatie van sigarettenas en suiker. Suiker brandt niet uit zichzelf, maar wel onder toevoeging van sigarettenas.

Het werkingsprincipe berust op het feit dat er een andere route wordt geopend waarlangs de reactie plaatsheeft. De energiedrempel die nodig is om de reactie te starten, wordt verlaagd.

Biokatalysatoren vormen een belangrijke klasse van katalysatoren, waarbij enzymen een grote rol spelen, met name bij de productie van voedingsmiddelen. Een voorbeeld is gist bij de bereiding van brood. In ons speeksel breekt het enzym amylase zetmeel af, nodig voor een goede spijsvertering. Bij wasmiddelen worden ook enzymen als biokatalysatoren gebruikt voor het verwijderen van vlekken.