Naar de content

Elektrochemie maakt duurzame reacties mogelijk

Een rode lichtschakelaar op een witte stekkerdoos.
Een rode lichtschakelaar op een witte stekkerdoos.
Firstfreddy via Wikimedia Commons CC3.0

Met elektrochemie proberen onderzoekers reacties voor elkaar te krijgen die normaal gesproken veel energie kosten. Dat is twee onderzoeksteams uit de Verenigde Staten en Canada onlangs gelukt. Zij vonden een duurzame manier om ammoniak te maken en een manier om koolstofdioxide om te zetten in nuttige bouwstoffen.

Ammoniak is een essentiële grondstof voor kunstmest, waarmee wij onze landbouwgrond bemesten.

 Pixabay, TheDigitalArtist via CC0

Al jaren gebruiken onderzoekers elektriciteit om chemische reacties uit te voeren. Met deze zogenoemde elektrochemie kun je water splitsen in zuurstof en waterstof, een beschermende laag op vliegtuigonderdelen aanbrengen en zelfs de bestandsdelen in melk analyseren. Maar steeds meer chemici gebruiken elektriciteit ook als troef bij het vinden van duurzamere reacties. Vorige week verschenen twee artikelen van onderzoeksgroepen die dat is gelukt.

Wat is elektrochemie?

Elektrochemie draait altijd om een materiaal dat elektronen los kan laten en een materiaal dat deze elektronen kan opnemen. Dit proces noemen we ook wel oxideren en reduceren. De stroom van elektronen die dan ontstaat zorgen er bijvoorbeeld voor dat een batterij stroom kan leveren. Maar deze stroom van elektronen kan er ook voor zorgen dat chemische reacties plaatsvinden. Zo kun je een elektrische stroom door water laten lopen, en het water splitsen in zijn grondstoffen: waterstof en zuurstof.

Schonere ammoniak

Xiaofeng Feng en zijn collega’s van de University of Central Florida publiceren in Nature Communications een nieuwe manier om ammoniak te maken uit stikstof en water. Nu gebruiken we daarvoor het Haber-Boschproces, waarbij stikstofgas en waterstofgas onder hoge druk en bij een hoge temperatuur aan elkaar binden. “Dat proces kost veel energie, want stikstof is erg stabiel. Het kost moeite om waterstof aan de stikstof te binden”, legt Feng per mail uit. “Je hebt dus een katalysator nodig – een molecuul dat het proces makkelijker laat verlopen.”

Al meer onderzoekers bekeken een elektrochemisch alternatief voor dit proces, maar als je de stroom aanzet blijken de waterstofatomen liever samen een waterstofmolecuul (H2) te vormen dan dat ze aan de stikstof binden. Om dit toch voor elkaar te krijgen, gebruikt de groep een katalysator gemaakt van palladium. Deze palladium-katalysator bindt de waterstofatomen eerst aan zijn oppervlakte. “Door deze binding hebben we minder energie nodig om te zorgen dat de waterstofatomen ‘overspringen’ naar de stikstof”, vertelt Feng. Uiteindelijk wisten de onderzoekers 4,5 microgram ammoniak te produceren per milligram palladium. “Nog niet een bijzonder grote opbrengst, maar al wel acht keer meer dan bij eerdere elektrochemische methodes.”

Het proces werkt volgens Feng dan ook nog niet optimaal, want ondanks de katalysator vormen er nog steeds waterstofmoleculen. “We moeten eerst beter begrijpen hoe de reactie precies werkt en hoe we die bijreacties verder kunnen onderdrukken.” Ook wil de onderzoeker kijken of hij nog een andere katalysator kan vinden die hetzelfde effect heeft: “Palladium is een zeldzaam metaal, we gebruiken liever een metaal dat meer voorkomt op aarde.”

Nuttige bouwstof

Aan de universiteit van Toronto gebruiken ze ook elektriciteit, maar dan om koolstofdioxide te vangen. Het kost normaal gesproken veel energie om koolstofdioxide te laten reageren, maar het kan wel een interessante bouwsteen zijn voor andere moleculen die we veel gebruiken in de chemische industrie. “Wij willen graag het nut van koolstofdioxide laten zien, en daarbij ook het klimaat helpen”, vertelt Tom Burdyny, die samen met zijn collega’s in Science schrijft over hun methode om koolstofdioxide te vangen.

Flickr, Zappys Technology Solutions Follow via CC BY 2.0

Burdyny en zijn collega’s hebben een nieuwe koperkatalysator gemaakt die in een basische omgeving koolstofdioxide weet te splitsen in etheen en koolstofmonoxide. “We hebben een dunne laag koper vastgemaakt aan een laag waar het gas door stroomt”, legt Burdyny uit. “Op deze manier is de concentratie koolstofdioxide erg hoog op de plek waar de reactie plaatsvindt.” Om te zorgen dat de laag koper nog efficiënter werkt brengen de onderzoekers twee beschermingslagen aan, als een soort sandwich. “Met deze opzet zetten we zeventig procent van de elektriciteit om in etheen”, zegt Burdyny.

Een mooie opbrengst, en de etheen die ontstaat kun je volgens de onderzoeker direct verder gebruiken als bouwsteen voor andere moleculen, zoals plastics. Maar ook hier valt zeker nog wat te winnen, aldus de onderzoeker: “We verliezen nog steeds dertig procent van de energie aan bijproducten, dat willen we graag verbeteren. Bovendien weten we nog niet hoe dit systeem zich op grote schaal gaat gedragen. Maar we hopen daar snel achter te komen.”

Bronnen:
ReactiesReageer