Onderzoekers hebben een op zonne-energie werkende technologie ontwikkeld die kooldioxide en water omzet in vloeibare brandstoffen die rechtstreeks aan de motor van een auto kunnen worden toegevoegd als drop-in brandstof.

De onderzoekers van de Universiteit van Cambridge gebruikten de kracht van fotosynthese om CO2, water en zonlicht in één enkele stap om te zetten in brandstoffen met meerdere koolstofverbindingen – ethanol en propanol. Deze brandstoffen hebben een hoge energiedichtheid en kunnen gemakkelijk worden opgeslagen of vervoerd.

In tegenstelling tot fossiele brandstoffen produceren deze zonnebrandstoffen netto geen koolstofemissies en zijn ze volledig hernieuwbaar, en in tegenstelling tot de meeste bio-ethanol onttrekken ze geen landbouwgrond aan de voedselproductie.

Hoewel de technologie zich nog op laboratoriumschaal bevindt, zeggen de onderzoekers dat hun “kunstmatige bladeren” een belangrijke stap zijn in de overgang van een op fossiele brandstoffen gebaseerde economie. De resultaten staan in het tijdschrift Nature Energy.

Bio-ethanol wordt aangeprezen als een schoner alternatief voor benzine, omdat het wordt gemaakt van planten in plaats van fossiele brandstoffen. De meeste auto’s en vrachtwagens op de weg rijden tegenwoordig op benzine die tot 10% ethanol bevat (E10-brandstof). De Verenigde Staten zijn ’s werelds grootste producent van bio-ethanol: volgens het Amerikaanse ministerie van Landbouw wordt bijna 45% van alle in de VS geteelde maïs gebruikt voor de productie van ethanol.

“Biobrandstoffen zoals ethanol zijn een controversiële technologie, niet in het minst omdat zij landbouwgrond in beslag nemen die in plaats daarvan zou kunnen worden gebruikt om voedsel te verbouwen,” aldus professor Erwin Reisner, die het onderzoek leidde.

De onderzoeksgroep van Reisner, die deel uitmaakt van het departement scheikunde van Yusuf Hamied, ontwikkelt al verscheidene jaren duurzame, koolstofvrije brandstoffen, geïnspireerd op de fotosynthese – het proces waarbij planten zonlicht omzetten in voedsel – met behulp van kunstmatige bladeren.

Tot nu toe konden deze kunstmatige bladeren alleen eenvoudige chemicaliën maken, zoals syngas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide dat wordt gebruikt om brandstoffen, geneesmiddelen, kunststoffen en meststoffen te produceren. Maar om de technologie praktischer te maken, zou het in staat moeten zijn om direct complexere chemicaliën te produceren in één enkele stap op zonne-energie.

Nu kan het kunstmatige blad rechtstreeks schone ethanol en propanol produceren zonder de tussenstap van de productie van syngas.

De onderzoekers ontwikkelden een katalysator op basis van koper en palladium. De katalysator werd zodanig geoptimaliseerd dat het kunstmatige blad complexere chemicaliën kon produceren, met name de multikoolstofalcoholen ethanol en n-propanol. Beide alcoholen zijn brandstoffen met een hoge energiedichtheid die gemakkelijk kunnen worden vervoerd en opgeslagen.

Andere wetenschappers zijn in staat geweest soortgelijke chemicaliën te produceren met behulp van elektrische energie, maar dit is de eerste keer dat zulke complexe chemicaliën zijn geproduceerd met een kunstmatig blad met alleen de energie van de zon.

“Zonlicht schijnen op de kunstmatige bladeren en vloeibare brandstof maken uit kooldioxide en water is een verbazingwekkend staaltje scheikunde”, aldus Dr. Motiar Rahaman, eerste auteur van het artikel. “Normaal gesproken krijg je, als je probeert CO2 om te zetten in een ander chemisch product met behulp van een kunstmatig blad, bijna altijd koolmonoxide of syngas, maar hier zijn we in staat geweest een praktische vloeibare brandstof te produceren met behulp van de kracht van de zon. Het is een opwindende vooruitgang die hele nieuwe wegen opent in ons werk.”

Momenteel is het apparaat een proof of concept en vertoont het slechts een bescheiden efficiëntie. De onderzoekers werken aan het optimaliseren van de lichtabsorbers, zodat deze het zonlicht beter kunnen absorberen, en aan het optimaliseren van de katalysator, zodat deze meer zonlicht kan omzetten in brandstof. Er zal ook nog meer werk moeten worden verricht om het apparaat schaalbaar te maken, zodat het grote hoeveelheden brandstof kan produceren.

“Hoewel er nog werk aan de winkel is, hebben we laten zien waartoe deze kunstmatige bladeren in staat zijn”, aldus Reisner. “Het is belangrijk om te laten zien dat we verder kunnen gaan dan de eenvoudigste moleculen en dingen kunnen maken die direct bruikbaar zijn bij de overgang van fossiele brandstoffen.”

Printvriendelijk