Brandstof maken van CO2 is een veelbelovende manier om het klimaatprobleem aan te pakken. Maar in de praktijk lopen zulke systemen al snel vast door kristalliserende zouten. Onderzoekers van de Amerikaanse Rice University hebben daar nu iets op gevonden: laat het broeikasgas niet door water bubbelen, maar door een milde zure oplossing. Die simpele aanpassing zorgt ervoor dat het systeem tot wel vijftig keer langer blijft werken.
De technologie waar het om draait, heet CO2-elektrolyse. Dat is een manier om met elektriciteit het broeikasgas CO2 om te zetten in nuttige stoffen, zoals koolstofmonoxide, ethyleen of zelfs alcoholen. Het idee is prachtig: CO2-uitstoot hergebruiken in plaats van het in de lucht te laten zweven. Maar tot nu toe hield één groot probleem dat tegen: de systemen gingen vaak al na een paar dagen kapot. In het nieuwe onderzoek, dat gepubliceerd werd in het vakblad Science, wordt een mogelijke oplossing beschreven. Het aangepaste systeem bleef maar liefst 4.500 uur stabiel werken in een reactor van 100 vierkante centimeter, terwijl oudere systemen met water na zo’n 80 uur al de geest gaven.
Shaoyun Hao, een van de auteurs van de studie, legt in een interview met Scientias.nl uit wat deze technologie zo bijzonder maakt: “Elektrochemische CO2-reductie is een proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om koolstofdioxide (CO2) — het gas dat bijdraagt aan klimaatverandering — om te zetten in nuttige chemicaliën of brandstoffen, zoals koolmonoxide, mierenzuur, ethyleen en ethanol. Als we dit proces aandrijven met hernieuwbare elektriciteit (zoals zonne- of windenergie), kunnen we CO2-afval uit fabrieken of uit de lucht omzetten in waardevolle producten, zonder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen. Daarom wordt het gezien als een veelbelovende groene technologie om koolstof te recyclen en duurzame energie te produceren.”
Het zoutprobleem
Maar waarom gaan die systemen zo snel stuk? Het zit hem in zouten die zich ophopen. In deze apparaten bewegen kleine deeltjes, zoals kaliumionen, van de ene kant (de anolyt) naar de andere (de kathode). Daar reageren ze met CO2 en vormen kaliumcarbonaat, een soort zout dat alles verstopt. Hao legt het uit: “Tijdens het omzetten van CO2 kunnen er in het systeem geleidelijk zouten ontstaan. Deze zouten komen voort uit de stoffen die nodig zijn voor de reactie, en uit de manier waarop water en gassen zich binnenin het systeem bewegen. Na verloop van tijd kunnen de zouten kristalliseren en de kleine kanaaltjes verstoppen waar het gas doorheen stroomt — vergelijkbaar met kalkaanslag in een koffiemachine.”
Een zure oplossing
De onderzoekers kwamen met een simpele oplossing. Hao vertelt hoe het werkt: “Normaal gesproken wordt CO2 door water gebubbeld om het systeem vochtig te houden. Wij ontdekten dat wanneer je CO2 door een milde zure oplossing laat bubbelen, er hele kleine hoeveelheden zuur in dampvorm met het gas meereizen. Die damp helpt de zouten oplossen voordat ze zich kunnen ophopen en het apparaat verstoppen. Het mooie aan deze methode is dat het de kern van de reactie niet verstoort — het helpt enkel het systeem schoon te houden, zodat het veel langer blijft werken.”
Misschien denk je nu: zuren, is dat wel veilig? Hao stelt gerust: “Een terechte vraag. We zijn zeer zorgvuldig te werk gegaan en hebben verschillende zuren en concentraties getest. We ontdekten dat een mild zuur, zoals verdund azijnzuur, precies genoeg zuur toevoegt om zouten op te lossen voordat ze zich kunnen ophopen. Tegelijkertijd tast het de belangrijke onderdelen van het apparaat — zoals metalen platen, membranen en katalysatoren — niet aan. We vermijden ook het gebruik van sterke zuren of hoge concentraties die schade zouden kunnen veroorzaken. Zo krijgen we een eenvoudige en zachte manier om het systeem stabiel en veilig te laten werken.”
Brede toepassingen en simpele aanpassingen
De methode werkt met allerlei katalysatoren, zoals zinkoxide of koperoxide, die elk verschillende producten maken uit CO2. In tests met zilver hield het systeem het ruim 2.000 uur vol. “Een van de sterke punten van deze aanpak is de eenvoud. Bedrijven en labs hoeven hun hele systeem niet opnieuw te ontwerpen. De kerncomponenten blijven onaangetast — het enige wat ze moeten doen is het waterreservoir vervangen door een oplossing van een mild zuur. Dat maakt de methode eenvoudig te implementeren en kostenefficiënt voor bestaande opstellingen.”
Wat nu?
De onderzoekers zien grote mogelijkheden, maar er is nog werk aan de winkel. Hao vertelt over de toekomst: “We zijn nu bezig met het verfijnen van het proces: we optimaliseren het type zuur, de concentratie en de gasstroom om de beste prestaties te behalen zonder extra kosten of risico op schade. Daarnaast onderzoeken we of deze methode ook kan helpen bij de stabiele productie van andere waardevolle producten, die doorgaans een hogere energiedichtheid hebben en veel worden gebruikt als brandstoffen en bouwstenen voor chemicaliën.”
