Nieuw materiaal zuigt CO2 razendsnel op uit de lucht: “Doorbraak in strijd tegen klimaatverandering”

Nederland loopt vijf jaar achter met zijn klimaatdoelstellingen, en daarin zijn we zeker niet de enige. De uitstoot van broeikasgassen moet omlaag. En hiervoor is het cruciaal om CO2 uit de lucht af te vangen en op te slaan. Daarbij kijken beleidsmakers met smart naar de wetenschap. Die heeft nu een nieuw soort materiaal ontwikkeld, waarmee koolstofopslag een stuk makkelijker en effectiever wordt.

Huidige technologieën voor koolstofafvang werken vooral goed bij geconcentreerde koolstofbronnen, zoals bij de uitstoot van energiecentrales. Deze methoden zijn minder effectief in het opvangen van koolstofdioxide uit de lucht, waar de concentraties honderden keren lager zijn. Maar toch is directe luchtvangst, ook wel DAC genoemd, nodig om de stijgende CO2-niveaus terug te dringen. De hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht stijgt nog steeds en zit tegenwoordig op 426 deeltjes per miljoen (ppm), een stijging van 50 procent ten opzichte van het pre-industrieel niveau. Volgens het IPCC, het klimaatpanel van de VN, is het inzetten van DAC essentieel om de wereldwijde opwarming te beperken tot maximaal 1,5 graad.

Op naar netto nul
Een nieuw type absorberend materiaal, ontwikkeld door wetenschappers van de University of California Berkeley, kan gaan helpen om ‘net zero’ of zelfs negatieve emissiewaarden te bereiken. Dit materiaal, een zogeheten ‘covalent organic framework‘ (COF), kan CO2 uit de omgevingslucht halen zonder dat het wordt aangetast door water of andere verontreiniging, schrijven de onderzoekers in Nature. Dit is een belangrijke verbetering ten opzichte van bestaande DAC-technologieën, die vaak wél gevoelig zijn voor dit soort stoffen.

Omar Yaghi, professor chemie aan UC Berkeley, vertelt enthousiast over de prestaties van zijn nieuwe ontdekking. “We namen een beetje van dit materiaal, stopten het in een buis, en lieten de buitenlucht van Berkeley door het materiaal stromen. Het verwijderde de CO2 volledig uit de lucht, echt alles”, klinkt het. “Dit materiaal gaat een doorbraak betekenen in de strijd tegen klimaatverandering.” Volgens Yaghi kan het nieuwe materiaal eenvoudig worden toegepast in bestaande systemen voor koolstofafvang, zoals de filtersystemen voor het opvangen van CO2 uit de uitstoot van raffinaderijen of voor het afvangen van atmosferische CO2 voor ondergrondse opslag.

De hexagone structuur van het nieuwe materiaal. Foto: Chaoyang Zhao for UC Berkeley

Sterk spul
Hoofdonderzoeker Zihui Zhou legt uit dat slechts 200 gram van het materiaal al in staat is om net zoveel CO2 op te nemen als een boom – dit komt neer op zo’n 20 kilo CO2 per jaar. “Afvang van rookgassen kan de klimaatverandering vertragen, omdat het voorkomt dat CO2 de lucht in gaat. Directe luchtvangst helpt ons terug te keren naar de situatie van 100 jaar geleden, toen de CO2-concentraties veel lager waren”, aldus de Berkeley-wetenschapper.

Yaghi is de uitvinder van zowel COF’s als MOF’s (metal-organic frameworks), beide stijve, kristallijne structuren met interne poriën. Deze poriën bieden een groot oppervlak waar gassen aan kunnen hechten. Sommige MOF’s die Yaghi heeft ontwikkeld, kunnen water uit de lucht opnemen en het weer afgeven bij verhitting, zelfs onder zeer droge omstandigheden. Al sinds de jaren ‘90 werkt Yaghi aan MOF’s voor koolstofafvang, toen nog niemand van DAC’s had gehoord.

Grote uitdaging
“CO2 uit de lucht halen is erg moeilijk”, maakt Yaghi duidelijk. “Je hebt een materiaal nodig met een hoge capaciteit, waar juist CO2 zich aan hecht en geen andere stoffen, dat stabiel blijft in water- en zuurstofrijke omgevingen, en ook nog eens makkelijk te recyclen is. Het moet daarnaast weinig energie kosten om het materiaal te fabriceren, en het moet op grote schaal toepasbaar zijn. Dat is een enorme uitdaging.”

Het team van Yaghi heeft de afgelopen twintig jaar gewerkt aan de ontwikkeling van COF’s die sterk genoeg zijn om verontreinigingen zoals water, zuren en basen het hoofd te bieden. Veel andere poreuze materialen raken hierdoor in de praktijk namelijk wél zwaar beschadigd. Hun nieuwste COF-999 is opgebouwd uit een skelet van polyolefinen – polymeren op basis van uitsluitend koolstof en waterstof – waaraan aminogroepen zijn gehecht. Dit zorgt ervoor dat elke aminogroep in staat is om een CO2-molecuul vast te houden. Wanneer lucht met een CO2-concentratie van 400 ppm door het COF wordt gepompt, is het materiaal binnen twee uur verzadigd en kan het tot wel 2 millimol CO2 per gram vasthouden. Het loslaten van de CO2 gebeurt door het materiaal te verwarmen tot slechts 60 graden, waarna het klaar is voor een nieuwe ronde.

Bijzonder stabiel
Het materiaal is bijzonder stabiel, zowel chemisch als thermisch. Het kan zonder problemen meer dan honderd keer worden hergebruikt zonder verlies van capaciteit. “Dit is het beste materiaal dat er op dit moment bestaat voor directe luchtvangst”, zegt Yaghi trots. Hij is ervan overtuigd dat kunstmatige intelligentie (AI) kan helpen om nog betere COF’s en MOF’s te ontwikkelen voor koolstofafvang en andere toepassingen. “We zijn heel enthousiast over de mogelijkheden die AI biedt om onze chemische uitvindingen te verbeteren en versnellen”, vertelt de Berkeley-onderzoeker.

Bronmateriaal

"Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks" - Nature
Afbeelding bovenaan dit artikel: Zihui Zhou, UC Berkeley

Fout gevonden?

Interessant voor jou

Voor jou geselecteerd