Overal waar de productie van schadelijke broeikasgassen niet kan worden voorkomen, moeten ze worden omgezet in iets nuttigs:deze aanpak wordt 'carbon capture and utilisation' genoemd. Hiervoor zijn speciale katalysatoren nodig. Tot nu toe was het probleem echter dat er zich snel een laag koolstof op deze katalysatoren vormt - dit wordt "cokesvorming" genoemd - en de katalysator verliest zijn effect.

Aan de TU Wien werd voor een nieuwe aanpak gekozen:via een speciale voorbehandeling werden minuscule metalen nanodeeltjes geproduceerd op perovskietkristallen. De interactie tussen het kristaloppervlak en de nanodeeltjes zorgt er dan voor dat de gewenste chemische reactie plaatsvindt zonder het gevreesde cokeseffect. De onderzoekers hebben hun werk gepubliceerd in Applied Catalysis B:Environmental .

Dry reforming:broeikasgassen worden synthesegas

Kooldioxide (CO₂ ) en methaan zijn de twee door de mens veroorzaakte broeikasgassen die het meest bijdragen aan klimaatverandering. Beide gassen komen vaak in combinatie voor, bijvoorbeeld in biogasinstallaties.

"Zogenaamde droge methaanreforming is een methode waarmee beide gassen tegelijkertijd kunnen worden omgezet in bruikbaar synthesegas", zegt prof. Christoph Rameshan van het Institute of Materials Chemistry van de TU Wien. "Methaan en kooldioxide worden omgezet in waterstof en koolmonoxide - en het is dan relatief eenvoudig om er andere koolwaterstoffen uit te produceren, tot aan biobrandstoffen toe."

Het grote probleem hier is de stabiliteit van de katalysatoren:"De metaalkatalysatoren die tot nu toe voor dit proces zijn gebruikt, hebben de neiging om kleine koolstofnanobuisjes te produceren", legt Florian Schrenk uit, die momenteel aan zijn proefschrift werkt in het team van Rameshan. Deze nanobuisjes zetten zich af als een zwarte film op het oppervlak van de katalysator en blokkeren deze.

Perovskietkristallen als sleutel tot succes

Het TU Wien-team heeft nu een katalysator gemaakt met fundamenteel andere eigenschappen:"We gebruiken perovskieten, dit zijn kristallen die zuurstof bevatten en die met verschillende metaalatomen kunnen worden gedoteerd", zegt Christoph Rameshan. "Je kunt bijvoorbeeld nikkel of kobalt in het perovskiet stoppen - metalen die ook al eerder in katalyse zijn gebruikt."

Door een speciale voorbehandeling van het kristal met waterstof bij ongeveer 600 °C kunnen de nikkel- of kobaltatomen naar het oppervlak migreren en daar nanodeeltjes vormen. De grootte van de nanodeeltjes is cruciaal:met nanodeeltjes met een diameter van 30 tot 50 nanometer is succes geboekt. Op deze kleine korrels vindt dan de gewenste chemische reactie plaats, maar tegelijkertijd voorkomt de zuurstof in de perovskiet de vorming van koolstofnanobuisjes.

"We konden in onze experimenten laten zien:als je de juiste grootte van nanodeeltjes kiest, ontstaat er geen koolstoffilm - cokesvorming is niet langer een gevaar", zegt Florian Schrenk. "Bovendien zijn de nanodeeltjes stabiel, de structuur van de katalysator verandert niet, hij kan permanent worden gebruikt."

De nieuwe perovskietkatalysatoren kunnen overal worden gebruikt waar methaan en kooldioxide tegelijkertijd worden geproduceerd - dit is vaak het geval bij het omgaan met biologische stoffen, bijvoorbeeld in biogasinstallaties. Afhankelijk van de gekozen reactietemperatuur kan men de samenstelling van het resulterende synthesegas beïnvloeden. Zo kan de verdere verwerking van klimaatschadelijke broeikasgassen tot waardevolle producten een belangrijke bouwsteen worden voor een duurzame circulaire economie. + Verder verkennen

Nieuwe katalysator voor lagere CO2-uitstoot