Wetenschappers van UT-onderzoeksinstituut MESA+ hebben een elektrode – in de vorm van een holle poreuze koperen vezel – ontwikkeld die koolstofdioxide (CO2) zeer efficiënt kan omzetten naar koolstofmonoxide (CO). Met de vinding kan je in principe allerhande industriële processen verduurzamen, bijvoorbeeld in de staalindustrie. De onderzoekers hebben patent op hun vinding aangevraagd en hun onderzoeksresultaten gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een holle koperen vezel ontwikkeld waarmee je zeer efficiënt CO2 kunt omzetten naar CO. De vezel, die dient als elektrode, is voorzien van talloze minuscule poriën. Als je de vezel in een waterbad plaatst, er spanning op zet en CO2 door de poriën laat borrelen, wordt het CO2 aan de buitenzijde omgezet naar CO.
Efficiëntie en de selectiviteit
Het principe is eenvoudig, maar de efficiëntie en de selectiviteit van de reactie zijn verrassend hoog, onder meer doordat de elektrode een groot oppervlak biedt waar de reactie kan plaatsvinden. Een belangrijke innovatie is het geoptimaliseerde grensvlak tussen gas, vloeistof en de koperdeeltjes, met zeer efficiënte toevoer van CO2, en afvoer van het product CO. Vergeleken met de meest geavanceerde koperen elektrodes die momenteel bestaan, is de omzetting ongeveer tien keer zo hoog. De selectiviteit (uitgedrukt in het percentage van de elektronen dat gebruikt wordt om CO2 om te zetten) is 85 procent, ten opzichte van 35 procent bij bestaande koperen elektrodes. De nieuw ontwikkelde elektrode presteert bovendien beter dan elektrodes die gemaakt zijn van dure edelmetalen als goud of zilver.
Fabricageproces
De fabricagemethode van de vezels omvat de volgende stappen. Kleine koperdeeltjes worden toegevoegd aan een polymeeroplossing. Deze oplossing wordt door een kleine ringvormige spleet in een waterbad geleid waarin de polymeeroplossing een vaste stof vormt in de vorm van een dunne holle vezel. Vervolgens wordt met een thermische behandeling het polymeer verwijderd en worden de koperdeeltjes deels aan elkaar gesmolten. Het resultaat is een vezel van koperoxide. Door deze vervolgens bij een verhoogde temperatuur te laten reageren met waterstof ontstaat het eindproduct: een holle poreuze koperen vezel met een diameter van 1,5 millimeter en een wanddikte van 0,1 millimeter.
Doordat de fabricagetechniek gebaseerd is op de manier waarop nu al op zeer grote schaal holle vezelmembranen van polymeer worden vervaardigd voor bijvoorbeeld nierdialyse, zal het volgens de betrokken onderzoekers relatief eenvoudig zijn om de nieuwe elektrode op commerciële schaal te produceren.
Toepassingen
De methode kan je gebruiken voor allerlei chemische processen waarbij je een gas wil omzetten, met name omdat de manier waarop de vezels worden vervaardigd ook geschikt is voor andere materialen dan koper. Denk bijvoorbeeld aan zuurstof voor de toepassing in een brandstofcel, of stikstof voor de elektrochemische productie van ammoniak.
De onderzoekers zien een belangrijk toepassingsgebied van de koperelektrodes in de staalindustrie. Daar wordt immers veel CO2 uitgestoten en is er juist behoefte aan CO om ijzererts om te zetten naar ijzer. Toepassing van de vezels kan hier dus leiden tot een aanzienlijke verduurzamingsslag. De werking van de vezel is aangetoond in het lab. In samenwerking met het Institute for Sustainable Process Technology zullen de wetenschappers nu onderzoeken hoe ze het ontwerp kunnen optimaliseren en hun methode geschikt kunnen maken voor toepassing in de industrie.
Onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door onderzoekers van de vakgroepen Photocatalytic Synthesis (prof. Mul) en Films in Fluids (prof. Benes) van UT-onderzoeksinstituut MESA+ in samenwerking met onderzoekers van de groep Catalysis and Surface Chemistry (prof. Koper) van de Universiteit Leiden. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door NanoNextNL. De onderzoeksresulaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, onder de titel ‘Three-dimensional porous hollow fibre copper electrodes for efficient and high-rate electrochemical carbon dioxide reduction’.
