Garneer een kobaltkatalysator met natrium- en zwavelatomen, en hij zet aardgas om in bouwstenen voor kunststoffen zonder dat je koolstofdioxide krijgt als bijproduct. Dat maakt deze variant van het Fischer-Tropschproces een stuk aantrekkelijker, melden Krijn de Jong en zijn Utrechtse collega’s in Nature Communications.

Bij dit inmiddels stokoude proces zet je koolwaterstoffen zoals olie, aardgas of biomassa eerst om in synthesegas, een mengsel van waterstof en koolstofmonoxide. Dat polymeriseer je tot ándere koolwaterstoffen die beter geschikt zijn als vloeibare brandstof of chemische bouwsteen. IJzer en kobalt zijn hiervoor de vanouds meest gebruikte katalysatoren.

Het levert altijd een mengsel op van moleculen met een gemiddeld aantal koolstofatomen. Dat gemiddelde hangt af van de katalysator, de procescondities en de samenstelling van het synthesegas, die op zijn beurt wordt bepaald door de grondstoffen die de vergasser in gaan. Het exacte aantal C’s per molecuul houdt zich aan de Anderson-Schulz-Flory-verdeling, in feite een vorm van kansberekening.

Wanneer je dus heel korte ketens wilt kweken als monomeren voor de kunststofindustrie, zoals etheen, propeen en buteen, zorgt die verdeling er voor dat je automatisch een hoeveelheid methaan krijgt als bijproduct. Dat is niet de bedoeling. Zzeker niet nu methaan oftewel aardgas steeds vaker de stof is die je vergast; je hebt dan een hoop energie verbruikt om terug te komen op je uitgangspunt.

Door ijzer- of kobaltcarbides te gebruiken als katalysator, in plaats van de pure metalen, blijk je de verdeling een eindje de gewenste kant op te kunnen buigen. Maar methaan heeft ook het probleem dat het synthesegas oplevert met relatief veel H₂ en weinig CO. En de carbides blijken dan tevens de zogeheten water-gas-shiftreactie te katalyseren die een deel van het schaarse CO laat reageren met water, tot CO₂ en nog meer H₂. Dat is ook niet de bedoeling.

In Utrecht heeft promovendus Jingxiu Xie (inmiddels postdoc bij BASF) nu proefondervindelijk bewezen dat je beide effecten tegelijk kunt tegengaan door wél puur metallisch kobalt te gebruiken, in de vorm van nanodeeltjes op mangaanoxide als drager. Daarbij moet je het kobaltoppervlak garneren met zowel natrium als zwavel. Je krijgt dan nog maar heel weinig methaan, en de CO₂-productie is verwaarloosbaar.

Hoe dat precies komt, wordt nog onderzocht. De publicatie bevat slechts een bescheiden aanzet voor theoretische berekeningen die de experimenten ondersteunen. Maar het moet iets te maken hebben met het feit dat de toevoegingen samen Na₂S opleveren, zodat het natrium geen Na₂O kan vormen. Het lijkt er op dat beide verbindingen de methaanvorming tegengaan maar dat Na₂S effectiever is, en dat bovendien Na₂O wel de shiftreactie katalyseert maar Na₂S niet.

bron: Universiteit Utrecht