Zonnereactor converteert CO2 en plastics in duurzame stoffen
Wetenschappers van University of Cambridge hebben een zonnereactor ontwikkeld die broeikasgassen en plastic afval met behulp van zonlicht converteert in duurzame brandstoffen en chemicaliën. In een testfase werden plastic flessen omgezet in glycolzuur. CO2 werd omgezet in syngas, een mix van waterstof en koolmonoxide die de basis voor het genereren van andere vloeibare brandstoffen, polymeren en farmaproducten.
Waardevolle chemische stoffen creëren
In conventionele processen betekent de conversie van CO2 (via elektrochemische of foto-elektrochemische reactie) in de meeste gevallen dat zuurstof alleen via een tegenreactie wordt verkregen. Via het nieuwe proces is het mogelijk om zuiver door middel van zonlicht als energiebron plastic te oxideren tot een waardevolle chemische stof voor farmatoepassingen.
CO2 en plastic tegelijkertijd verwerken
De zonnereactor heeft één compartiment voor de verwerking van plastic en een ander voor broeikasgassen. Een ionenuitwisselingsmembraan scheidt beide, die gelijktijdig kunnen werken. Een zonnecel genereert bij zonnestraling fotovoltage die de reactie aandrijft. Het systeem kan zelfs bij een lagere lichtintensiteit functioneren.
Momenteel kan de minireactor reeds chemisch voorbehandeld polyethyleentereftalaat (PET)-plastic verwerken. De broeikasgassen kunnen rechtstreeks worden opgevangen – bijvoorbeeld uit de uitlaatgassen van industriële installaties – en vervolgens in de reactor worden gebracht. Door de compartimentering zijn de twee uitgangsstromen gescheiden en is er geen vermenging van producten.
In de toekomst willen de onderzoekers elke soort polyester kunststof verwerken.
Flexibiliteit en afstembaarheid
Het nieuwe systeem vereist een katalysator om de twee afvalstromen om te zetten in waardevolle producten. Het ontwerp van het apparaat maakt flexibiliteit en afstembaarheid mogelijk. De katalysator kan worden veranderd om verschillende resultaten te verkrijgen. Ook de zonnemodule kan worden aangepast om de beste prestaties te behouden wanneer de katalysator wordt gewisseld.
De wetenschappers experimenteerden met drie katalysatoren, die elk verschillende producten voortbrachten. Ten eerste zette een moleculaire katalysator CO2 om in koolmonoxide. Ten tweede produceerde een bimetaallegering selectief syngas. Ten derde zette een biokatalysator (enzym) kooldioxide om in formiaat – een vloeibare energiedrager.
Het beste uit zonlicht halen
Een ander belangrijk element van het systeem is de lichtabsorber, gemaakt van perovskietmaterialen (zie ook 'Zonnepaneel uit algen'). Deze vormen een alternatief voor silicium zonnecellen. Na jaren van onderzoek tonen zij aan dat het rendement van zonnecellen toeneemt. Bovendien kunnen zij worden vervaardigd met goedkopere grondstoffen.
In het geval van de onderzoeksgroep in Cambridge kon silicium geen geschikte optie zijn om redenen van overshooting. Een overshoot betekent dat een signaal of functie zijn doel overschrijdt. Perovskiet daarentegen is de beste optie om de reactor in een bereik te brengen waarin kooldioxide en kunststoffen kunnen worden omgezet.
Toch sluiten de onderzoekers het gebruik van silicium in toekomstige versies van de zonnereactor niet uit. Overschrijding kan in de toekomst worden overwonnen en ontwikkeling op grotere schaal door meerdere batchreactoren in lijn is mogelijk. Bovendien hebben perovskieten een goede absorptiesnelheid in het zichtbare lichtgebied, waardoor de beschikbare zonne-energie maximaal kan worden benut.
Bovendien kan de zonnemodule werken met lagere lichtniveaus. Bewolkte dagen brengen de werking niet in gevaar.
Het onbenutte potentieel van zonne-energie
Van de zonnesimulator van het lab tot toepassingen in de praktijk liggen nog vele uitdagingen in het verschiet. Momenteel is het belangrijkste probleem het ontbreken van een grotere perovskiet lichtabsorber, om de outputhoeveelheid te vermenigvuldigen.
Daarnaast wil het onderzoekstream de technologie uitproberen met verschillende afvalstromen – zoals biomassa – en parallel daaraan het systeem opschalen, terwijl het gerichte productvorming bereikt.
De zonnereactor van Cambridge zal verder worden getest. De onderzoekers willen hem zo robuust mogelijk maken. Zij geloven dat zonne-energie een spelbreker kan zijn in de aanpak van lucht- en plasticvervuiling. Het wil dan ook nieuwe technologieën vinden om deze twee grote problemen aan te pakken.
Het onderzoek werd uitgevoerd in het Reisner Lab van het Yusuf Hamied Department of Chemistry, van de Britse universiteit. Professor Erwin Reisner is de hoofdauteur van de studie, met promovendi Subhajit Bhattacharjee en Dr. Motiar Rahaman als eerste auteurs.
Bron: Innovation Origins