Nature Communications presenteert een metaalelektrode die bij kamertemperatuur koolstofdioxide elektrochemisch kan reduceren tot elementaire koolstof. Wellicht kun je hiermee ooit op een energiezuinige manier het broeikaseffect te lijf, denken Torben Daeneke, Kourosh Kalantar-Zadeh en hun voornamelijk Australische collega’s.

In een nogal overenthousiast filmpje beloven ze dat je hiermee CO₂ rechtstreeks uit de atmosfeer kunt halen zonder dat het energieverbruik onaanvaardbaar hoog wordt.

Probleem is wel dat het voorlopig alleen werkt op laboratoriumschaal. ‛Het klimaatprobleem hiermee oplossen, dat lukt niet bepaald morgen’, stelt de Utrechtse katalyse-expert Bert Weckhuysen in de Volkskrant die desondanks een hele pagina wijdde aan het idee om ‛kolen te maken uit broeikasgas’.

Het bijzondere aan de elektrode is dat hij vloeibaar is. Hij bestaat uit galinstan, een legering van gallium met een beetje indium en tin die smelt bij -19 °C. Op zich is galinstan niet of nauwelijks katalytisch actief. Maar meng je er een beetje cerium doorheen en breng je dat mengsel in contact met zuurstof, dan zal dat cerium daar als eerste mee reageren. Je krijgt zo een laagje ceriumoxide (in eerste instantie Ce₂O₃) van een paar atomen dik op het metaaloppervlak, en ceriumoxide katalyseert de reductie van CO₂ wel.

Ramanspectrometrie laat zien wat er gebeurt als je van zo’n Ce₂O₃-gecoate druppel een elektrode maakt door hem aan het uiteinde van een glazen capillair te laten hangen, met een draadje er doorheen voor de stroomtoevoer, en hem onder te dompelen in een elektrochemische cel met een cocktail van CO₂, water en dimethylformamide. In eerste instantie wordt Ce₂O₃ gereduceerd tot metallisch cerium, waarbij H₂O de vrijgekomen zuurstof opneemt om 2 OH^- te kunnen vormen. Vervolgens reageert Ce met CO₂ tot C + CeO₂. Een volgende set watermoleculen regenereert dat oxide meteen opnieuw tot metallisch Ce. Wat de OH^- betreft: die wordt aan de tegenelektrode omgezet in H₂O en O₂.

En dan komt het nut van dat galinstan om de hoek kijken. Bij vrijwel elke andere katalysator is de vorming van koolstof uiterst ongewenst omdat het vastkoekt op het oppervlak (coking, in vakjargon) en zo de katalytische werking steeds meer in de weg gaat zitten. Maar op puur vloeibaar metaal hecht koolstof in het geheel niet; het laat los en komt bovendrijven in de vorm van amorfe, 3 nm dikke vlokken die je zo kunt wegscheppen.

Die zeer zuivere koolstof leent zich volgens de publicatie uitstekend voor elektrodes in condensatoren, waarin je elektrische energie kunt opslaan. Verbranden kan ook maar wordt pas interessant als je heel veel koolstof overhoudt. Ook blijkt het mogelijk om in plaats van koolstof koolstofmonoxide te produeren als chemische bouwsteen, door met het potentiaalverschil tussen de elektrodes te spelen. Hoe dát werkt hebben de onderzoekers nog niet kunnen doorgronden.

In de praktijk blijkt het nog beter te werken wanneer je meer cerium toevoegt dan theoretisch zou moeten kunnen. Berekeningen wijzen uit dat de oplosbaarheid in galinstan vermoedelijk niet boven de 0,5 gewichtsprocent uit komt, maar 3 % geeft de beste resultaten. Het meeste cerium blijkt dan in het galinstan te klonteren tot nanodeeltjes, en de Australiërs vermoeden dat die dienen als extra ceriumreservoir voor de CO₂-reductie.

Die druppeltjes-aan-een-capillair vertalen naar een grootschalig proces, wordt intussen inderdaad een boeiende uitdaging. Nog afgezien van het feit dat indium er eigenlijk te schaars voor is, maar dat hadden de auteurs zelf ook al begrepen.

bron: Nature Communications, RMIT University, de Volkskrant