Marlies Van Bael, Pascal Buskens | Foto: TNO
Universiteit Hasselt (UHasselt) en TNO Eindhoven werken aan een potentieel katalyseproces voor groene chemie via CO2-conversie met zonlicht. Nog volop in de labfase moet aanvullende R&D groene bouwstenen opleveren, zoals methaan.
Katalyse wordt in de groene chemie als een kansrijk procedé gezien om CO₂ om te zetten naar chemische bouwstenen en brandstoffen. Een van de beloftes is conversie van CO₂ en waterstof in een katalytisch proces naar methanol.
Uiteraard liefst met ‘groene’ waterstof, geproduceerd door op duurzame stroom gedreven elektrolyse van water. Universiteit Hasselt in België en TNO werken aan katalytische CO₂-conversie naar methaan met zonlicht als energiebron – een mooi voorbeeld van groene chemie.
Syntheseroutes voor groene chemie
Overal ter wereld vinden nu studies plaats naar nieuwe, groene syntheseroutes in de huidige, meer duurzame zogeheten groene chemie. Drijvende kracht zijn de klimaatambities om de uitstoot van fossiele CO₂ te reduceren voor de transitie naar een volledig duurzame energievoorziening.
Groen methaan is een interessante kandidaat om de chemiesector te verduurzamen. Op dit moment gebruikt de industrie aardgas (methaan) om methanol te maken als basis voor ‘platformchemicaliën’, zoals benzeen en olefinen, die op hun beurt de grondstoffen voor kunststoffen als polypropeen en polyetheen vormen.
Het derivaat methanol is bovendien ook prima bij te mengen in fossiele transportbrandstoffen. TNO Sustainable Process & Energy Systems in Delft kan al een ‘groene’ diesel uit methanol te maken met dezelfde eigenschappen als fossiele diesel, maar zonder roetvorming tijdens de verbranding.
CO₂-conversie naar methaan en groen syngas
Samen met de Universiteit Hasselt in België is TNO ook een geheel ander onderzoekspad ingeslagen: CO₂-conversie naar methaan. Dit zou een route kunnen zijn naar groen synthesegas, kortweg syngas, een van de meest toegepaste bouwstenen in conventionele, chemische processen. Om de CO₂-conversie op gang te brengen passen de onderzoekers een katalytisch proces toe met zonlicht als energiebron volgens een energiezuinig, fotochemisch proces. De winst zit in een verbeterd katalyseproces dat CO₂ en waterstof bij lage temperatuur (250 graden) omzet in methaan en water.
“Zonlicht wordt met een uitzonderlijk hoge energie-efficiency van 55 procent gebruikt”
Pascal Buskens, Principal Scientist voor colloïden en grensvlakken TNO Eindhoven
Katalyse en plasmonresonantie
Standaard metaalionen-katalysatoren volgens het door de Fransman Sabatier bedachte katalyse-proces uit de 20e eeuw hebben temperaturen van 300 tot 500 °C voor de reacties.
De onderzoekers van Universiteit Hasselt en TNO ontwikkelden katalysatoren die geen metaalionen gebruiken, maar metaalnanodeeltjes op basis van het zilverwitte overgangsmetaal ruthenium (Ru). Door plasmonresonantie gaan de elektronen in de metaalnanodeeltjes collectief heen en weer bewegen met de frequentie van het invallend zonlicht.
Het stroompje dat in het metaaldeeltje ontstaat door deze oscillatie, kan tot verwarming leiden, of tot directe elektronische interacties met moleculen om in dit geval CO₂ en waterstof om te zetten in methaan en water.
“Omdat we werken met plasmonresonantie is het voor ons mogelijk al het zonlicht efficiënt in te vangen. De reactiesnelheid en de tijdsduur van het katalyseproces zijn optimaal”, vertelt Principal Scientist voor colloïden en grensvlakken Pascal Buskens van TNO in Eindhoven, tevens gastprofessor bij de vakgroep Chemie van de Universiteit Hasselt.
“Conventionele katalysatoren die deze omzetting doen, zijn halfgeleiders en gebruiken alleen het UV-deel in het zonnespectrum. De rest van het licht gaat dan ongebruikt verloren.” Volgens Buskens wordt het zonlicht met een uitzonderlijk hoge energie-efficiency van 55 procent gebruikt.
Groene chemie, katalyse en opschaling
Tot nu toe richtte het onderzoek zich op de ontwikkeling en het testen van katalysatoren en het realiseren van de eerste stap van de energie-efficiënte basisreactie in het lab. De vraag is of dit proces ook op grotere schaal mogelijk is. Hier is meer onderzoek voor nodig. “Uiteindelijk willen een minifabriekje op labschaal gaan bouwen. Ons doel is in een extra validatiestap een goede inschatting te maken of opschaling naar een proef- of demo-installatie technisch en economisch haalbaar gaat zijn”, zegt Buskens.
Katalyse en transparante flowreactoren
Het onlangs door het Vlaams-Nederlandse Interreg V-programma gestarte en gefinancierde onderzoeksproject met de toepasselijke naam LUMEN moet bovendien ook geschikte fotokatalytische reactoren in beeld brengen.
Buskens: “Tot nu toe wordt er nog maar weinig onderzoek gedaan naar reactoren voor fotochemische processen met behulp van zonlicht. We moeten transparante reactoren ontwikkelen waar het zonlicht in kan om de katalysator te belichten.”
Hij vervolgt: “In LUMEN gaan we ons primair op transparante flowreactoren met dunne reactiekanaaltjes richten, waarin zonlicht efficiënt in door kan dringen. Ja, dat is zeker nog een lange weg.”
Labopstelling voor katalyse van CO2 naar methaan met behulp van zonlicht | foto: TNO
“We moeten transparante reactoren ontwikkelen waar het zonlicht in kan om de katalysator te belichten”
Pascal Buskens, Principal Scientist voor colloïden en grensvlakken TNO Eindhoven
Groene chemie en businesskansen
Daarmee gloren er bij deze ontwikkeling prima kansen voor apparatenbouwers en onderdelenleveranciers, aldus Buskens, in het bijzonder voor producenten van flowreactoren.
Buskens: “Fotochemie in het algemeen is in opkomst, en de procesefficiency van reactie met zonlicht wordt niet alleen bepaald door de gebruikte katalysatoren maar ook door de reactor. Dus op termijn liggen er in groene chemie zeker businesskansen voor de industrie.”
