CO2-moleculen laten trillen om de top van de energieladder te bereiken

Er zit te veel CO₂ in de lucht en dat is een levensgroot probleem, weet iedereen die ooit van het broeikaseffect heeft gehoord. Reden om het gebruik van fossiele brandstoffen zo snel mogelijk af te bouwen. Maar vloeibare brandstoffen zijn wel erg handig en niet voor alle toepassingen bestaat al een duurzaam alternatief.

Het zou daarom fantastisch zijn als we CO₂ met behulp van duurzaam opgewekte energie, zoals zonnestroom, makkelijk zouden kunnen omzetten naar zogeheten zonnebrandstoffen - zodat CO₂ onderdeel wordt van een gesloten kringloop.

De eerste stap in dat proces is het losmaken van één van de twee zuurstofatomen (O) uit het CO₂-molecuul. Het resulterende CO kan dan namelijk met waterstof worden gecombineerd tot brandbare koolwaterstoffen.

Slimme truc

Helaas is CO₂ echter een bijzonder stabiel molecuul, legt Qin Ong uit. “Om het kapot te maken, heb je temperaturen nodig van een paar duizend graden. Dat kost ontzettend veel energie.” Wetenschappers wereldwijd zijn daarom op zoek naar een slimme truc om CO₂ op een energiezuinige manier te splitsen. Zo ook in Eindhoven, zowel in de TU/e-groep Elementary Processes in Gas Discharges (EPG) als bij energie-instituut DIFFER op de TU/e-campus, waar Ong haar promotieonderzoek heeft uitgevoerd.

Eén van de mogelijke trucs maakt gebruik van het feit dat de atomen in een CO₂-molecuul ten opzichte van elkaar kunnen trillen, alsof ze met een springveer met elkaar verbonden zijn.

“Die trillingen vinden slechts plaats bij specifieke frequenties”, vertelt Ong. Elk type trilling heeft energieniveaus die je kunt voorstellen als treden van een ladder. Hoe hoger op de ladder, des te harder het molecuul trilt en des te minder energie het kost om een atoom los te maken uit het molecuul. Ze trillen als het ware kapot.

Sovjet-experimenten

Bij EPG, waar Ong in het begin van haar promotietraject experimenten heeft gedaan, proberen onderzoekers plasma’s te maken waarin CO₂-moleculen door onderlinge botsingen de vibratieladder beklimmen.

“Er zijn aanwijzingen uit oude Sovjet-experimenten dat dit een heel efficiënt proces kan zijn om CO₂ te splitsen”, zegt ze. “Eigenlijk was het de bedoeling dat ik ook bij DIFFER aan plasma’s zou werken, maar we bedachten dat we het proces van ladderklimmen nauwkeuriger konden bestuderen door de vibraties te stimuleren met laserlicht in een gewoon CO₂-gas. Dat is namelijk een veel simpeler systeem dan een plasma.”

Met infrarood licht kun je een CO₂-molecuul namelijk naar de onderste trede van de vibratieladder duwen. Telkens als vervolgens twee moleculen botsen, gaat één van beide een stapje hoger de ladder op en keert de andere terug naar de zogeheten grondtoestand. Die stappen volgen elkaar razendsnel op, tot het molecuul bij de laatste botsing in twee stukken breekt.

“We weten dat dit goed werkt bij moleculen die uit twee atomen bestaan”, legt Ong uit. “Maar voor drie-atomige moleculen zoals CO₂ was het maar de vraag of de moleculen hun energie niet tijdens het proces kwijt zouden raken. Dan kom je dus niet bovenaan de ladder.”

Middernacht-experimenten

Om dat te testen had de geboren Nijmeegse het licht nodig van een bijzondere laser van de Radboud Universiteit: FELIX genaamd. Toevallig ook de faciliteit waar ze haar afstudeeronderzoek had uitgevoerd. “Met de FELIX-laser konden we licht maken met de juiste golflengte en intensiteit voor mijn experimenten.”

Ze kon overigens niet zomaar even langskomen voor de metingen. “Om zogeheten ‘bundeltijd’ te krijgen van FELIX moet je een onderzoeksvoorstel indienen. Vervolgens ben ik een maand bezig geweest om alles ter plekke voor te bereiden. Er mag niets misgaan, want je kunt het niet zomaar de volgende dag overdoen. Wij kregen uiteindelijk vier avonden de mogelijkheid om te meten. Om middernacht gaat dan operator weg die de laser bedient. Als je geluk hebt en de laser blijft nog goed functioneren, kun je nog een paar uur ‘gratis’ doormeten. Dat hebben we tot twee, drie uur ’s nachts gedaan.”

Hoopgevend

De uitkomsten van haar Nijmeegse experimenten, aangevuld met metingen met een laser van DIFFER, laten geen ruimte voor twijfel: het ladderklim-effect bestaat echt in CO₂. Dat is hoopgevend, mede omdat de experimenten bij lage temperatuur en bij hoge druk - tot wel 20 bar - zijn uitgevoerd.

“In deze tak van chemie, waarbij moleculen in trilling worden gebracht, worden botsingen normaal gezien als iets slechts en is werken bij lage druk daarom gebruikelijk. Botsingen kunnen namelijk ook ervoor zorgen dat moleculen zijn trillingsenergie verliezen en van de ladder afvallen. Volgens mijn onderzoek wint het ladderklimmen dus van het energie verliezen, zelfs bij veel botsingen in experimenten die bij hoge druk worden uitgevoerd. Dat is voor deze tak van chemie een zeer interessant resultaat.”

Of het ook voor de productie van zonnebrandstoffen een uitkomst zal blijken, is echter nog de vraag. “Het doel was energiezuinigheid en helaas verbruiken lasers juist veel energie.” Maar wie weet wat de toekomst brengt. “Er wordt gewerkt aan ledlampen die het juiste infraroodlicht uitzenden. Als die energiezuinig en intens genoeg zijn, zie ik wel mogelijkheden voor de ladderklim-methode.”

Titel van PhD thesis: ‘Vibrational excitement: model-selective conversion of CO₂”. Promotors: Gerard van Rooij and Richard van de Sanden.

Bron: Cursor.