Eindelijk lijkt er een membraan te zijn dat waterstof en koolstofdioxide op industriële schaal kan scheiden. Het is vrij makkelijk te produceren en gaat minstens 800 uur mee, schrijven Freek Kapteijn, Jorge Gascon en collega’s van de TU Delft in Science Advances. Op 24 oktober hoopt eerste auteur Meixia Shan mede op deze uitvinding te promoveren.

Ze stellen voor het te gebruiken om CO₂ al vóór de verbranding uit fossiele brandstoffen te verwijderen. Je vergast die dan eerst tot een mengsel van CO en H₂, dat je via een shiftreactie met behulp van stoom omzet in een mengsel van CO₂ en H₂. Daarna filter je de CO₂ er uit en verbrandt alleen de waterstof.

De kunst is daarbij een poreus membraan te ontwerpen dat CO₂ tegenhoudt maar het iets kleinere H₂ wél in voldoende mate doorlaat, en dat tevens bestand is tegen verhoogde temperaturen en drukken én tegen waterdamp. Die combinatie blijkt een lastige.

In Delft gebruiken ze er een zogeheten porous organic framework (POF) voor. In feite is dat net zoiets als een metal-organic framework (MOF) maar dan met alleen organische bouwstenen die je polymeriseert tot een poreus netwerk. De kunst is de bouwstenen zo te kiezen dat de poriën precies groot genoeg worden, maar vooral ook om te voorkomen dat er tijdens de synthese gaten in het membraan vallen.

Bij het hier gekozen type POF, een benzamidazoolgelinkt polymeer (BILP) treedt een extra complicatie op: je moet het polymeriseren in de vorm van het uiteindelijke membraan, want ná de polymerisatie lost het vrijwel nergens meer in op en kun je dus ook die vorm niet meer veranderen.

De oplossing heet grensvlakpolymerisatie. De bouwstenen zitten elk in een andere vloeistoffase opgelost; beide lagen liggen bovenop elkaar en de reactie heeft alleen plaats op het grensvlak. en reageren op het grensvlak tussen die fases.

Dat grensvlak stabiliseer je door één van beide vloeistoffases op te sluiten in de poriën van een inerte drager, hier een laagje kubisch γ-Al₂O₃ op een drager van α-Al₂O₃. Die vloeistoffase bestaat uit een oplossing van 1,2,4,5-benzeentetramine tetrahydrochloride in water. Als de poriën verzadigd zijn, veeg je de overtollige vloeistof van het oppervlak om dat vervolgens onder te dompelen in een oplossing van 1,3,5-triformylbenzeen in benzeen. Op het oppervlak groeit dan vanzelf het gewenste BILP-membraan. Het proces stopt zodra de laag dik genoeg is om beide monomeren bij elkaar uit de buurt te houden. Mochten er in het begin nog gaten in zitten, dan groeien die vanzelf dicht.

Dat het hele proces werkt bij kamertemperatuur, is uiteraard een groot voordeel.

De poriën in het aluminiumoxide zijn groot genoeg om zowel H₂ als CO₂ ongehinderd door te laten, dus je kunt die laag gewoon als drager onder het eigenlijke membraan laten zitten. Bij de experimenten werden vlakke plaatjes gebruikt maar je kunt ook denken aan dunne ‘rietjes’ van het type dat je aantreft in membraancartridges voor waterzuivering.

Bij 150 °C, wat in de buurt zit van de temperatuur van een H₂/CO₂ mengsel direct na de shiftreactie, laat zo’n membraan 30 à 40 H₂-moleculen door op één CO₂. De watermoleculen in het mengsel maken de verhouding alleen maar beter, omdat ze door absorptie de poriën iets nauwer maken en daarbij CO₂ het meeste hinderen.

bron: TU Delft, Science Advances