In Nature opperen Chinese onderzoekers organokatalyse als mogelijkheid om het oude, maar nog steeds cruciale chloor-alkali proces efficiënter te maken. Selectiviteit en activiteit zijn veelbelovend, maar de langetermijnstabiliteit is een punt van zorg.
Een van de oudste, meest basale processen uit de chemische industrie is het chloor-alkali proces: elektrolyse van een zoutoplossing levert chloor (Cl2) en natriumhydroxide (NaOH). Beide producten staan weer aan de basis van tal van andere processen en daarom zijn de productievolumes immens. Tel daarbij op dat het chloor-alkali proces energie vreet (ongeveer 1% van de wereldwijde elektriciteitsproductie) en het is duidelijk dat iedere verbetering van de efficiëntie meteen tot enorme besparingen op meerdere fronten kan leiden.
Een team onder leiding van Dingshen Wang en Yadong Li van de Tsinghua Universiteit in Beijing, concentreerde zich op de katalysator als aanknopingspunt voor een efficiencyslag. En dan specifiek op organische alternatieven voor de gebruikelijke ruthenium- of iridium-gebaseerde katalysatoren. Dit is al eerder geprobeerd, maar zonder indrukwekkend resultaat. Wang, Li en collega’s komen nu in Nature met een nieuwe optie: RCON-H, waarbij de amidegroep voor de gewenste functionaliteit zorgt. Daarbij is aanvoer van CO2 essentieel, dat zorgt voor omzetting naar NCOOH en dit intermediair levert een exponentiële verhoging van de katalytische activiteit.
Selectief, actief en goedkoop
Deze nieuwe organokatalysator doet niet onder voor de traditionele metaalhoudende kats, stelt Thomas Turek van de Technische Universiteit Clausthal in een begeleidende News&Views bijdrage. Zowel de selectiviteit als activiteit zijn extreem hoog en wat dat laatste betreft scoort RCON-H zelfs beter dan de metalen concurrentie, aldus Turek. Dat is op zich allemaal al heel aantrekkelijk om het chloor-alkali proces efficiënter te maken, maar daarnaast is een groot voordeel van organokatalysatoren dat je ze ‘gewoon’ kunt maken van goedkope, hernieuwbare grondstoffen in plaats van afhankelijk te zijn van de winning van kostbare, niet-duurzame (edel)metalen.
Maar de stap naar industriële toepassing is nog ver weg, aldus Turek. Vooral de stabiliteit van de elektrodes met daarop de organokatalytische coating behoeft flinke verbetering. Die begint in deze studie na 450 uur af te nemen, terwijl voor de industrie een levensduur van minimaal vijf jaar toch wel een vereiste is. Tureks zorgen worden gedeeld door Bert Vreman, onderzoeker bij chloorproducent Nobian (het voormalige AkzoNobel). ‘De industrie is erg geïnteresseerd in onderzoek naar verdere verbetering van de efficiency van het chloor-alkali proces. Belangrijk voor toepassing van nieuwe katalysatoren is onderzoek naar de lange termijn stabiliteit. Volgens de resultaten in het supplement van het artikel lijkt de hoeveelheid organokatalysator op de elektrode na 450 uur met enkele procenten te zijn afgenomen. Goede, langdurige stabiliteit is heel belangrijk en is nog niet aangetoond. Voor grootschalige toepassing is eerst nog meer R&D nodig.’
Desalniettemin is de mogelijkheid van organokatalyse de moeite waard om verder te bestuderen, vindt Turek. Het laat volgens hem in ieder geval zien dat de aanname dat organokatalysatoren veel minder geschikt zijn voor elektrochemische toepassingen dan metaal-gebaseerde kats niet opgaat. Ook Vreman onderkent de waarde van dit werk. ‘Het is een verrassende paper. Interessant om de ontwikkelingen te zien en verder te volgen.’
Thomas Turek, Organic catalyst opens way to energy-efficient chlorine production, Nature (2023)
Nog geen opmerkingen