De chemische bindingen splitsen in CO₂ moleculen is warmte nodig. Een manier om deze warmte te krijgen is van plasma's, en het is al lang bekend dat plasma's CO₂ efficiënt kunnen splitsen , dankzij 40 jaar oud onderzoek uit de Sovjet-Unie.

"Problemen met het klimaat en broeikasgassen hebben geleid tot dit oude onderzoek [dat] door veel wetenschappers is onderzocht", zegt Alex van de Steeg, onderzoeker bij de groep Elementaire Processen in Gasontladingen van de afdeling Technische Natuurkunde.

Hoewel het oude onderzoek zijn stempel heeft gedrukt op wetenschappers, heeft het hen ook in de war gebracht. "Het was moeilijk om resultaten uit het verleden te reproduceren", merkt Van de Steeg op. "Bijvoorbeeld recente experimenten met CO₂ plasma's hebben aangetoond dat hogere temperaturen nodig zijn, boven de 3000 kelvin (K) zelfs. Maar het oude onderzoek geeft aan dat splijting kan plaatsvinden bij lagere temperaturen."

Motivatie voor nieuwe methoden

Onenigheid tussen de resultaten uit het verleden en recente pogingen om ze te repliceren bleek een grote motivatie voor het onderzoek van Van de Steeg, dat hij bij DIFFER uitvoerde onder begeleiding van Gerard van Rooij en Richard van de Sanden en in samenwerking met de Universiteit Maastricht en Shell.

"Om een ​​beter begrip te krijgen van hoe CO₂ dissocieert of splitst in een plasma, hebben we nieuwe manieren ontwikkeld om CO₂ . te bestuderen plasma's die in een magnetron worden gegenereerd met behulp van zogenaamde laserverstrooiingsdiagnostiek", zegt Van de Steeg. "Hierbij wordt een intense laserstraal in het plasma gefocust en vervolgens het verstrooide licht gemeten. Op deze manier kunnen we tijd- en ruimtelijke informatie verzamelen over de temperatuur en samenstelling van het plasma."

Metingen van de CO₂ plasma gaf informatie over de chemische en fysische processen die plaatsvinden tijdens het splitsen van de moleculen. Daarbij kregen de onderzoekers een nieuwe waardering voor de extreme omstandigheden in CO₂ plasma's. "De plasmatemperatuur is hoger dan 6000 K, wat heter is dan het oppervlak van de zon", merkt Van de Steeg op.

Het aftasten van het plasma hielp Van de Steeg en de onderzoekers ook om een ​​kaart van het plasma te maken, die ze vervolgens combineerden met een numeriek model. "Dit hielp ons om reactiesnelheden en de moleculen die betrokken zijn bij die reacties in verschillende delen van het plasma te identificeren, en het toonde aan dat chemische reactiviteit afhankelijk is van zeer hoge temperaturen, wat in tegenspraak is met de resultaten uit het verleden. Voordat we deze informatie niet hadden, dus het hebben van deze informatie is belangrijk."

Reacties tellen

Bovendien bracht het onderzoek van Van de Steeg de chemische reacties aan het licht die de meeste CO produceerden, wat natuurlijk het potentieel zou vergroten om daarna meer brandstoffen te produceren.

"Twee reacties leiden tot bijna alle splitsing:botsingen van CO₂ moleculen met andere moleculen in het plasma, en de aggregatie van O en CO₂ (bekend als associatie) die uiteindelijk leidt tot CO en O₂ ”, zegt Van de Steeg.

En het is de tweede van deze reacties die kan leiden tot een verhoogde (of grotere) energie-efficiëntie van thermische CO₂ reactoren. "Maximale efficiëntie zonder O-CO₂ associatie is iets meer dan 50%, wat oploopt tot 70% als ze worden meegerekend. En dit komt dicht in de buurt van de efficiëntie die 40 jaar geleden in experimenten werd bereikt."

Een ding om op te merken is dat er veel energie nodig is om de plasmareacties op gang te brengen, maar deze energie kan meer dan in evenwicht zijn dankzij het potentieel om de CO-moleculen te gebruiken om duurzame brandstoffen te maken. "Dus in plaats van olie uit bronnen te halen om fossiele brandstoffen te produceren, kunnen we brandstoffen maken met behulp van de CO₂ al in de atmosfeer door in het verleden brandstoffen te verbranden. Het is een soort circulair proces."

Toekomstige brandstoffen

Uit het onderzoek van Van de Steeg blijkt dat een hoge energie-efficiëntie van CO₂ splitsing zijn binnen handbereik, en hij is erg optimistisch over waar deze bevindingen heen zouden kunnen gaan. "Met deze bevindingen en zorgvuldig reactorontwerp zijn hoge energie-efficiënties binnen bereik, wat betekent dat plasmasplitsingsbenaderingen een aantrekkelijke technologie kunnen zijn voor de energietransitie."

En wat het nog aantrekkelijker maakt, is de beschikbaarheid van grootschalige microgolfstralingsapparatuur die kan worden gebruikt om CO₂ te splitsen. plasma's gebruiken. Met veel CO₂ in de atmosfeer en de aanwezige technologie, lijkt het slechts een kwestie van tijd te zijn voordat onderzoek zoals dat van Van de Steeg helpt om reactoren te bouwen om toekomstige brandstoffen te produceren uit CO₂ .