Voor het eerst zijn er katalysatoren die koolstofdioxide efficiënt omzetten in ethanol zonder dat je planten nodig hebt. Kwestie van een nieuwe manier om een koperoppervlak te prepareren, schrijven Stanford-onderzoekers in Nature.

Naar zoiets werd al heel lang vergeefs gezocht. De eerste stap, van CO₂ naar CO, is zo moeilijk niet. Maar CO plus water elektrochemisch omzetten in C₂H₅OH is veel lastiger. Voor zover bekend is koper het enige kathodemateriaal dat die omzetting überhaupt een beetje katalyseert. Helaas verre van efficiënt: het koper is niet selectief en verreweg de meeste energie, die je er in pompt, gaat op aan de concurrerende reductie van water tot waterstof. Tenzij je het spanningsverschil over het systeem heel ver opvoert, want dan krijg je geen waterstof én geen ethanol meer.

Voor de duidelijkheid: andere metalen leveren alléén maar waterstof op en geen druppel ethanol.

Vandaar dat de huidige ethanol bijna altijd bio-ethanol is, waarbij eerst planten de CO₂ moeten omzetten in suikers die vervolgens door eencelligen weer tot ethanol worden gefermenteerd. Chemisch gezien een gigantische omweg. De bottom line is dat je veel meer ethanol per hectare moet kunnen produceren als je je planten door zonnepanelen vervangt en de CO₂ elektrochemisch omzet.

Volgens Matthew Kanan en promovendus Christina Li zit de oplossing in de manier waarop je je koperoppervlak bereidt. Het recept is om eerst een dikke laag koper(I)oxide (Cu₂O) te laten groeien op het oppervlak. Dat oxide reduceer je vervolgens weer tot metallisch koper, wat zowel elektrochemisch kan (in een waterbad) als door blootstelling aan waterstofgas bij 130 graden Celsius.

Het ‘oxide-derived nanocrystalline copper’dat je dan krijgt, is bedekt met een laagje nanokristalletjes met diameters van 30 tot 100 nanometer. Het bijzondere is dat het geen los liggende kristalletjes zijn maar dat ze nauw op elkaar aansluiten, als een soort puzzelstukjes. Onder de elektronenmicroscoop zie je de naden wel, maar er zit geen ruimte tussen.

En Kanan vermoedt dat de katalytische activiteit zich rond die naden afspeelt. Hoe het precies werkt is nog niet duidelijk. Maar vast staat dat deze vorm van koper wél ongeveer de helft van de toegevoerde energie benut om CO om te zetten in een mix van ethanol, acetaat en n-propanol. Daarvoor heb je maar een heel laag potentiaalverschil nodig.

De productmix lijkt af te hangen van de manier waarop je het koperoppervlak reduceert; Kanan hoopt nog een recept te vinden dat voornamelijk propanol of zelfs butanol oplevert, omdat dat nog betere brandstoffen zijn dan ethanol.

Hoe ver het idee af is van commercialisering, wordt uit de publicatie overigens niet duidelijk.

bron: Stanford, Nature