In Eindhoven is bedacht hoe je steenkool omzet in vloeibare brandstoffen zonder overmatige hoeveelheden koolstofdioxide te genereren. Een zeer zorgvuldig bereide ijzercarbidekatalysator is de sleutel, schrijven Emiel Hensen en collega’s in Science Advances.

Die coal-to-liquids, ontwikkeld in de jaren 20 van de vorige eeuw, is de oervorm van het Fischer-Tropschproces. Je vergast koolstofrijke brandstof met zuurstof tot synthesegas, een mengsel van H₂ en CO. Dat zet je katalytisch om in een mengsel van alkanen; of het benzine, diesel of een was-achtig materiaal wordt, kun je instellen.

Als grondstof kan van alles dienen. Tegenwoordig is het meestal aardgas maar afvalhout kan ook, en met name in China grijpt men de laatste jaren steeds vaker terug op steenkool. Volgens Hensens publicatie zal coal-to-liquids in 2020 goed zijn voor 15 % van het totale Chinese kolenverbruik.

Dat hierbij CO₂ ontstaat als ongewenst bijproduct is onvermijdelijk. De totale hoeveelheid staat van tevoren vast, en volgt uit de massabalans. In de praktijk probeer je die CO₂-vorming op één plek in het proces te concentreren, namelijk tijdens de zogeheten shiftreactie waarbij je stoom injecteert in het synthesegas. Zo genereer je extra H₂. De O uit het H₂O wordt ’geparkeerd’door een deel van de CO om te zetten in CO₂, dat je in dit stadium relatief makkelijk kunt afscheiden voor hergebruik of opslag in de bodem. Als je de waterhoeveelheid goed hebt afgemeten is daarna de verhouding tussen H₂ en CO dusdanig dat je verderop naast koolwaterstoffen alleen je H₂O terugkrijgt.

Bij Fischer-Tropsch op aardgasbasis gaat dat prima: de daarvoor gebruikte kobaltkatalysatoren spelen het spel mee. Maar bij coal-to-liquids neemt men liever ijzerverbindingen, die beter bestand zijn tegen het hoge zwavelgehalte van de voeding en vooral ook minder schaars zijn dan kobalt, en dus veel goedkoper. IJzer heeft echter één groot nadeel: het katalyseert ook de omzetting van CO in CO₂. De hoeveelheid kan oplopen tot 30% van het totaal.

Als het goed is, ontsnapt die CO₂ niet maar gaat samen met het niet-omgezette restant van het synthesegas circuleren door het proces. Uiteindelijk wordt het alsnog opgevangen maar in de tussentijd ben je dus wel een grote bel inert gas aan het rondpompen, verhitten en comprimeren. De daarvoor benodigde energie ben je gewoon kwijt.

Hensen en collega’s rekenen voor dat het verlies in een typische coal-to-liquidsfabriek, met een jaarproductie van 500.000 ton vloeibare brandstof, kan oplopen tot zo’n 800 gigawattuur per jaar.

Samen met collega’s uit Beijing heeft de groep van Hensen nu ontdekt dat je dit kunt voorkomen door de ijzerkatalysator uiterst zorgvuldig te bereiden. Gewoonlijk zijn zulke katalysatoren een mix van verschillende verschijningsvormen van ijzer. Bekend was al dat daarbij vooral de ijzercarbides (Fe_xC_y) het werk doen, en niet metallisch ijzer of ijzeroxides.

Eerder onderzoek liet tevens zien dat verschillende ijzercarbides daarbij sterk uiteenlopend gedrag vertonen. Er biljkt er één tussen te zitten, aangeduid als ε(’)Fe₂C, die nauwelijks CO₂ genereert. En de kunst is dus die kristalvorm zuiver (phase-pure) in handen te krijgen.

Dat blijkt te kunnen door ijzeroxide eerst volledig (met de nadruk op volledig) te reduceren tot metallisch ijzer, met behulp van waterstof. Dat ijzer zet je vervolgens om in ijzercarbide door het te behandelen met… synthesegas, verdund met stikstof, bij langzaam oplopende temperatuur.

Het blijkt een katalysator op te leveren die inderdaad maar een paar procent CO₂ produceert, en bovendien verrassend stabiel is. Hensen verwacht dat het een groot commercieel succes wordt.

bron: TU/e