Van CO2 naar plastic en laptops
Fossiele brandstoffen (koolwaterstoffen) zijn niet alleen een bron van energie en warmte, maar ook een belangrijke grondstof in tal van industriële processen. Uiteindelijk komen hier onze plastics, laptops en televisies uit voort – tastbare producten waarvoor meer nodig is dan alleen groene elektriciteit. CO2-conversie door middel van elektrokatalyse is waar hernieuwbare elektriciteit, circulaire grondstoffen en CO2-reductie samenkomen.
‘Onze wereld draait op koolstof,’ zegt Tom Burdyny. ‘En de enige manier om hier duurzaam mee om te gaan is het converteren van afgevangen CO2.’ Dat kan bijvoorbeeld met de zogenoemde omgekeerde water-gas-shift-reactie, waarbij CO2 en waterstof worden omgezet in koolstofmonoxide en water. Vervolgens kan deze koolstofmonoxide samen met waterstof worden omgezet in allerlei koolwaterstoffen en zuurstofhoudende stoffen. Het werkt, maar kan beter, vindt ook de industrie. Elektrokatalyse is een veelbelovende alternatieve methode omdat CO2 hiermee in één stap kan worden omgezet naar complexe koolwaterstofverbindingen zoals ethyleen. De chemische omzetting vindt ook nog eens bij een veel lagere temperatuur plaats, waardoor het proces eenvoudig kan worden in- en uitgeschakeld. Tom ziet de mogelijkheden, maar drukt zich voorzichtig optimistisch uit: ‘We moeten nog wel bewijzen dat CO2-elektrokatalyse ook echt beter gaat zijn dan de huidige standaard.’
Basischemicaliën
De energietransitie is sinds jaar en dag de achtergrond waartegen Tom zijn onderzoek doet. Maar het is pas sinds kort dat hij, opgeleid als werktuigbouwkundige, de overstap heeft gemaakt naar onderzoek dat meer chemisch van aard is. ‘Toen ik met elektrokatalyse in aanraking kwam, zag ik dat dit technologie was met de potentie om opgeschaald te worden en zo het wereldwijde energiesysteem drastisch te veranderen. Mijn niet-chemische achtergrond bleek een meerwaarde omdat ik op een andere manier naar de uitdagingen kijk.’ Als universitair docent in Chemical Engineering heeft hij nu zijn eigen onderzoekslaboratorium. Daar werken zo’n tien onderzoekers en een handvol afstudeerders aan de apparatuur voor elektrochemische conversie van CO2 naar basischemicaliën. ‘We focussen met name op de productie van koolstofmonoxide en ethyleen – producten waarnaar een grote wereldwijde vraag is en waarmee we dus echt een flinke deuk kunnen slaan in de CO2-uitstoot.’
De enige duurzame manier om met koolstof om te gaan is het converteren van afgevangen CO2.
Infrarood
Een toevallige ontdekking leidde tot een recente doorbraak die te maken heeft met de onvermijdelijke warmteontwikkeling bij omzettingsprocessen – voed je een elektrokatalyse-apparaat met honderd eenheden elektriciteit, dan krijg je daar nooit honderd eenheden aan reactieproducten voor terug. Tom: ‘We hadden een hoogwaardige infraroodcamera in ons laboratorium liggen en op een dag besloten we die op de achterkant van ons elektrokatalyse-apparaat te richten. Toen zagen we iets dat we niet meteen konden verklaren. Uit nader onderzoek bleek dat dit direct gerelateerd was aan de reacties die plaatsvonden. In ons lab gebruiken we infraroodbeeldvorming nu zowel als een toegepast onderzoeksmiddel – waar zien we zwakke punten in ons systeem – als voor het beantwoorden van fundamentele onderzoeksvragen. We kunnen hiermee de lokale reacties, de lokale efficiency, over een groot oppervlak en in de tijd monitoren.’
Showstoppers gezocht
Natuurlijk wil Tom dat elektrokatalyse een doorslaggevende rol gaat spelen in de energietransitie. Maar hij staat er ook voor open dat het anders loopt. Sterker nog, hij is juist actief op zoek naar showstoppers. ‘Met mijn onderzoek wil ik alle mogelijke grote problemen van deze techniek blootleggen. En dan een manier vinden waarop we deze kunnen oplossen, of anders kunnen zeggen: “Dit gaat nooit lukken, we moeten met dit onderzoek stoppen en onze aandacht ergens anders op richten.”’ Een van de open vragen is hoe goed elektrokatalyse-apparaten werken op groene stroom, die van nature niet continu beschikbaar is. ‘Volgende maand start ik samen met Ruud van Ommen een project waarbij we specifiek deze flexibele werking onderzoeken. Misschien blijkt dat er een energiebuffer nodig is, of dat het zelfs helemaal niet werkt. Er zijn heel veel aspecten die hierbij een rol spelen.’
Dankzij infraroodbeeldvorming kunnen we elektrochemische reacties in de tijd en over een groot oppervlak monitoren.
Upstream en downstream
Het e-Refinery instituut speelde een belangrijke rol bij de keuze van Tom voor de TU Delft. Hier is elektrochemisch onderzoek over alle lengteschalen bij elkaar gebracht – van nanometers (hoe verlopen reacties op atomaire schaal) tot kilometers (transport van CO2). Toen het instituut vier jaar geleden werd opgericht was het hiermee uniek in de hele wereld. Tom: ‘Het maakt echt een verschil dat we al deze expertise vlak bij elkaar hebben. We spreken elkaar elke paar weken en geven dan real-time feedback.’ Het is ook de reden dat er twee soorten onderzoekers in zijn laboratorium zijn. ‘Aan de ene kant proberen we de elektrokatalyse-apparaten met een zo hoog mogelijke efficiëntie te ontwerpen. Maar we richten ons vooral op het zo precies mogelijk begrijpen hoe ze werken. Daarmee kunnen we de juiste afwegingen maken zodra we ook de upstream en downstream processen in de keten meenemen, zoals purificatie- en scheidingsstappen.’
Voor anderen
Of hij nu in de collegezaal staat of onderzoek doet, het draait bij Tom altijd om het inspireren van anderen. ‘Mocht mijn eigen onderzoek uiteindelijk niet substantieel aan de energietransitie bijdragen, dan wil ik in ieder geval dat degenen die ik begeleid wel het verschil maken.’ Het is een mentaliteit die er zeker aan heeft bijgedragen dat hij in 2021 tot beste docent van de TU Delft werd verkozen. Het is ook waarom hij organisator en voorzitter is van het aankomende e-Refinery symposium. ‘Veruit de meeste promovendi zijn tijdens de COVID-pandemie begonnen. Ze hebben nauwelijks de kans gehad om contacten buiten hun eigen groep te leggen. Bovendien kunnen ze dankzij het symposium ook (opnieuw) het contact met het bedrijfsleven aangaan – hun onderzoek presenteren en inhoudelijk discussiëren over belangrijke volgende stappen.’ Het symposium richt zich op alle vakgebieden die nodig zijn om elektrokatalyse tot een succes te maken, zoals chemische technologie, natuurkunde, stromingsleer, procestechnologie, bestuur en management. Tom: ‘We missen nog wat expertise in e-Refinery, dus je bent bij deze van harte uitgenodigd!’
We willen weten wat de afwegingen bij elektrokatalyse zijn zodra we ook upstream en downstream processen meenemen.
Het e-Refinery symposium vindt op 14 en 15 maart in Delft plaats. Je kan het programma hier vinden. Neem voor persvragen over het symposium contact op met Dave Boomkens via D.J.Boomkens@tudelft.nl.
CO2 elektrokatalyse
Thermodynamisch gezien is CO2 het afvoerputje: je moet er altijd energie aan toevoegen om het in iets nuttigs om te zetten. Elektrokatalyse is daar een heel schone manier voor. Je hebt alleen CO2, water en groene energie nodig. En, natuurlijk, een katalysator – een stof die het omzettingsproces enorm versnelt, het energieverlies flink verlaagt en zelf niet verbruikt wordt. De CO2 vang je af uit rookgassen of direct uit de atmosfeer. Koper is de katalysator voor het omzetten van CO2 naar (complexe) koolwaterstoffen.
