Wetenschap
Een sprong richting koolstofneutraliteit:nieuwe katalysator zet koolstofdioxide om in methanol
Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben een katalysatormateriaal ontwikkeld dat bekend staat als kobaltftalocyanine en dat kooldioxide – een belangrijke aanjager van klimaatverandering – omzet in hernieuwbare brandstoffen zoals methanol.
Gepubliceerd in het tijdschrift ACS Catalysis UM-onderzoekers bestudeerden het gebruik van kobaltftalocyanine als katalysator om kooldioxide via meerdere reactiestappen om te zetten in methanol. De eerste stap zet kooldioxide (CO2 ) in koolmonoxide (CO) en in de tweede stap wordt de CO omgezet in methanol.
Deze aanpak biedt een duurzame methode voor het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen en biedt tegelijkertijd de mogelijkheid om schone energie te produceren.
Wetenschappers proberen al lang een manier te vinden om CO2 chemisch om te zetten in brandstoffen zoals methanol. Methanol zou mogelijk kunnen worden gebruikt om voertuigen op een milieuvriendelijkere manier aan te drijven.
Terwijl de conversie van CO2 naar methanol is geïndustrialiseerd, het realiseren van deze transformatie op grote schaal door middel van elektrochemische processen is een aanzienlijke uitdaging gebleken.
"Onze aanpak is uniek omdat we al deze kennis die elk vakgebied over hetzelfde probleem heeft, kunnen overbrengen en overbruggen. We hebben wetenschappers en ingenieurs allemaal in één team, die brainstormen en inzichten verzamelen om het systeem op de best mogelijke manier te ontwerpen en te begrijpen ," zei co-primair auteur Kevin Rivera-Cruz, die onlangs een doctoraat in de scheikunde ontving aan de U-M.
Kobalftalocyanine werkt als een moleculaire haak voor CO2 of CO-moleculen. De rangschikking van deze moleculen rond het kobaltmetaal (de geometrie) is cruciaal omdat deze bepaalt hoe sterk elk gasmolecuul bindt. Het probleem, zo ontdekten ze, is dat kobalftalocyanine veel sterker bindt aan CO2 moleculen dan CO-moleculen. Hierdoor wordt, zodra CO wordt geproduceerd in de eerste stap, de CO vervangen door een andere CO2 molecuul voordat het verder kan worden omgezet in methanol.
Met behulp van geavanceerde computermodellen berekenden de onderzoekers dat kobalftalocyanine CO2 bindt meer dan drie keer sterker dan het koolmonoxide bindt. Ze bevestigden dit ook door middel van experimenten waarbij de reactiesnelheid werd gemeten bij het variëren van de hoeveelheden CO2 en CO.
De onderzoekers toonden aan dat het verschil in bindingsaffiniteit te maken heeft met de manier waarop de elektronen van de katalysator interageren met de CO2 en CO-moleculen. Om dit probleem op te lossen stellen de onderzoekers voor om de kobaltftalocyaninekatalysator opnieuw te ontwerpen om de interactie met CO te versterken en de binding aan CO te verminderen2 .
Het oplossen van deze wegversperring zou de weg kunnen vrijmaken voor het gebruik van katalysatoren zoals kobaltftalocyanine om CO2 efficiënt om te zetten afval op grote schaal omzetten in methanolbrandstof.