Grafeen uit kooldioxide

Kooldioxide (CO₂) is vooral bekend als broeikasgas en zijn bijdrage aan de klimaatverandering. Maar de verbinding kan ook een nuttige grondstof zijn voor chemische reacties. Bijvoorbeeld voor de productie van grafeen.

De verbranding van fossiele energiedragers zoals kolen en aardolie levert energie op voor stroom, warmte en mobiliteit. Dit proces leidt echter ook tot een toename van de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer en daarmee opwarming van de aarde. Het doorbreken van dit causale verband motiveert wetenschappers om naar alternatieve energiedragers te zoeken, maar ook naar alternatief gebruik van kooldioxide.

Een mogelijkheid zou kunnen zijn het gas als goedkoop uitgangsmateriaal voor de synthese van waardevolle stoffen te gebruiken. Hiermee kan kooldioxide opnieuw worden ingevoerd in de economische waardekringloop – en onder de juiste omstandigheden zelfs nog geld opleveren ook.

Inspiratie in de natuur

Een voorbeeld vinden we in de natuur. Bij de fotosynthese in de bladeren van planten ontstaat uit licht, water en kooldioxide weer biomassa, en daarmee is de natuurlijke kringloop van stoffen gesloten. In didt proces is het de taak van het op metalen gebaseerde enzym RuBisCo om kooldioxide uit de lucht op te nemen en geschikt te maken voor de chemische reactie in de plant.

Geïnspireerd door deze op metaalenzymen gebaseerde natuurlijke omzetting presenteerden onderzoekers van het Karlsruher Institut für Technologie een nieuwe proces. Hierbij wordt het broeikasgas kooldioxide samen met waterstof met behulp van speciaal geprepareerde en katalytisch actieve metaaloppervlakken bij temperaturen tot 1000 °C direct omgezet in het technologiemateriaal grafeen.

Grafeen is de tweedimensionale vorm van koolstof. Deze vorm heeft interessante elektrische eigenschappen en komt daardoor in aanraking voor toekomstige nieuwe soorten elektronische componenten. De ontdekking en het hanteerbaar maken van grafeen in 2004 leidde tot wereldwijd intensief verder onderzoek en leverde de ontdekkers Andre Geim en Konstanin Novoselov in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde op. De twee onderzoekers haalden het grafeen met de hand via kleefband van een blok grafiet af.

Synthese

Door de samenwerking tussen verschillende werkgroepen aan het KIT ontwikkelden onderzoekers een methode om met behulp van een metaalkatalysator grafeen te maken uit kooldioxide en waterstof. Wanneer het metaaloppervlak de juiste verhouding van koper en palladium bevat, vindt de omzetting van kooldioxide in grafeen direct in een eenvoudig ééntraps proces plaats. Tijdens verdere experimenten lukte het zelfs het grafeen met een dikte van meerdere lagen te vervaardigen, wat interessant kan zijn voor mogelijke toepassingen in batterijen, elektronica-componenten of filtermaterialen.

Het volgende doel van de werkgroepen is nu uit het verkregen grafeen werkende elektronische componenten te maken. Koolstofmaterialen zoals grafeen en magnetische moleculen kunnen de bouwstenen zijn voor toekomstige kwantumcomputers. Deze kunnen ultrasnelle en energetisch efficiënte berekeningen uitvoeren, maar niet gebaseerd op de binaire logica van de huidige computers.

Foto: E. Moreno-Pineda, KIT