Als we de opwarming van de aarde willen vertragen, moeten we de uitstoot van broeikasgassen drastisch verminderen. We moeten het onder meer doen zonder fossiele brandstoffen en energie-efficiëntere technologieën gebruiken.

Het terugdringen van de uitstoot alleen zal echter niet voldoende zijn om de klimaatdoelstellingen te halen. We moeten ook grote hoeveelheden van het broeikasgas CO₂ opvangen uit de atmosfeer halen en ofwel permanent ondergronds opslaan, ofwel gebruiken als CO2-neutraal voedermiddel in de industrie. Helaas vergen de technologieën voor koolstofafvang die vandaag de dag beschikbaar zijn veel energie en zijn ze dienovereenkomstig duur.

Daarom ontwikkelen onderzoekers van ETH Zürich een nieuwe methode die gebruik maakt van licht. Met dit proces zal de energie die nodig is voor het afvangen van koolstof in de toekomst van de zon komen. Hun werk is gepubliceerd in Chemistry of Materials .

Lichtgestuurde zuurschakelaar

Onder leiding van Maria Lukatskaya, hoogleraar elektrochemische energiesystemen, maken de wetenschappers gebruik van het feit dat in zure waterige vloeistoffen CO₂ is aanwezig als CO₂ , maar in alkalische waterige vloeistoffen reageert het onder vorming van zouten van koolzuur, bekend als carbonaten. Deze chemische reactie is omkeerbaar. De zuurgraad van een vloeistof bepaalt of deze CO₂ bevat of een carbonaat.

Om de zuurgraad van hun vloeistof te beïnvloeden, voegden de onderzoekers moleculen, fotozuren genaamd, toe die reageren op licht. Als zo’n vloeistof vervolgens met licht wordt bestraald, maken de moleculen deze zuur. In het donker keren ze terug naar de oorspronkelijke staat waardoor de vloeistof alkalischer wordt.

Zo werkt de methode van de ETH-onderzoekers in detail:De onderzoekers scheiden CO₂ uit de lucht door de lucht in het donker door een vloeistof te leiden die fotozuren bevat. Omdat deze vloeistof alkalisch is, wordt de CO₂ reageert en vormt carbonaten. Zodra de zouten in de vloeistof zich in belangrijke mate hebben opgehoopt, bestralen de onderzoekers de vloeistof met licht. Hierdoor wordt het zuur en worden de carbonaten omgezet in CO₂ .

De CO₂ borrelt uit de vloeistof, net als in een fles cola, en kan worden opgevangen in gastanks. Wanneer er nauwelijks sprake is van CO₂ in de vloeistof gelaten, doen de onderzoekers het licht uit en begint de cyclus opnieuw, waarbij de vloeistof klaar is om CO₂ op te vangen .

Het hangt allemaal af van het mengsel

In de praktijk deed zich echter een probleem voor:de gebruikte fotozuren zijn instabiel in water. "Tijdens onze eerste experimenten realiseerden we ons dat de moleculen na één dag zouden ontbinden", zegt Anna de Vries, een promovendus in de groep van Lukatskaya en hoofdauteur van het onderzoek.

Dus analyseerden Lukatskaya, de Vries en hun collega's het verval van het molecuul. Ze losten het probleem op door hun reactie niet in water uit te voeren, maar in een mengsel van water en een organisch oplosmiddel. De wetenschappers konden door laboratoriumexperimenten de optimale verhouding van de twee vloeistoffen bepalen en hun bevindingen verklaren dankzij modelberekeningen uitgevoerd door onderzoekers van de Sorbonne Universiteit in Parijs.

Om te beginnen stelde dit mengsel hen in staat de fotozuurmoleculen bijna een maand lang stabiel in de oplossing te houden. Ten tweede zorgde het ervoor dat licht kon worden gebruikt om de oplossing naar behoefte heen en weer te schakelen tussen zuur en alkalisch. Als de onderzoekers het organische oplosmiddel zonder water zouden gebruiken, zou de reactie onomkeerbaar zijn.

Doen zonder verwarming

Andere koolstofafvangprocessen zijn ook cyclisch. Eén beproefde methode werkt met filters die de CO₂ opvangen moleculen bij omgevingstemperatuur. Om vervolgens de CO₂ te verwijderen uit de filters moeten deze opgewarmd worden tot ongeveer 100° Celsius. Verwarming en koeling zijn echter energie-intensief:ze nemen het grootste deel van de energie voor hun rekening die nodig is voor de filtermethode.

"Ons proces heeft daarentegen geen verwarming of koeling nodig, dus het vereist veel minder energie", zegt Lukatskaya. Sterker nog:de nieuwe methode van de ETH-onderzoekers werkt mogelijk alleen met zonlicht.

“Een ander interessant aspect van ons systeem is dat we binnen enkele seconden van alkalisch naar zuur kunnen gaan en binnen enkele minuten weer terug naar alkalisch. Hierdoor kunnen we veel sneller schakelen tussen koolstofafvang en -uitstoot dan in een temperatuurgestuurd systeem”, legt de Vries uit.

Met dit onderzoek hebben de onderzoekers aangetoond dat fotozuren in het laboratorium kunnen worden gebruikt om CO₂ af te vangen . Hun volgende stap op weg naar volwassenheid op de markt zal het verder vergroten van de stabiliteit van de fotozuurmoleculen zijn. Ze moeten ook de parameters van het hele proces onderzoeken om het verder te optimaliseren.

Meer informatie: Anna de Vries et al, Solvation-Tuned Photoacid als een stabiele, door licht aangedreven pH-schakelaar voor het opvangen en vrijgeven van CO2, Chemie van materialen (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435

Journaalinformatie: Chemie van materialen

Aangeboden door ETH Zürich