Nobelprijswinnaar Susumu Kitagawa: hoe lucht de goudmijn van de toekomst kan worden

Met AI geconstrueerd beeld van een Metal-Organic Framework oftewel MOF.

Raamwerken met de oppervlakte van een voetbalveld

MOF’s ontstaan wanneer metaalionen worden verbonden met organische ‘koppelaars’ tot een enorm, vaak driedimensionaal kristalrooster. In dat rooster zitten talloze poriën waarin gasmoleculen kunnen worden gevangen. Het resultaat: extreem poreuze materialen die gassen kunnen opnemen en opslaan. Een gram MOF kan, zo benadrukt Kitagawa, een inwendig oppervlak hebben ter grootte van een compleet voetbalveld.

Grondstoffen uit lucht in plaats van uit de bodem

Tijdens het 10e EuChemS Chemistry Congress in Antwerpen wees Kitagawa erop dat we vaste stoffen en vloeistoffen al aardig beheersen, maar dat gassen nog altijd lastig zijn. Met materialen als MOF’s kunnen we volgens hem rechtstreeks uit de lucht elementen als koolstof, zuurstof en waterstof winnen als grondstof voor de industrie. Dat zou alle landen toegang geven tot dezelfde bronnen, zonder druk op schaarse hulpbronnen zoals zoet water.

Stikstof kennen we al, nu nog duurzame waterstof

Stikstof uit de lucht gebruiken we al, bijvoorbeeld in het Haber–Boschproces voor kunstmest. De zwakke plek is de waterstof, die nu vooral uit aardgas en olie komt. Kitagawa verwacht dat we in de toekomst waterstof kunnen maken door waterdamp uit de lucht te vangen en te splitsen in waterstof en zuurstof. Die waterstof kan dan niet alleen met stikstof reageren tot kunstmest en andere chemicaliën, maar ook dienen als grondstof voor synthetische brandstoffen via Fischer–Tropsch-processen.

Brandstoffen bouwen uit kooldioxide en waterstof

In zo’n toekomstige chemie wordt CO₂ uit de lucht eerst omgezet met waterstof via de omgekeerde water-gasverschuivingsreactie tot een mengsel van koolmonoxide en water. Na droging en toevoeging van extra waterstof ontstaat synthesegas (syngas), dat over metallische katalysatoren kan worden omgezet in vloeibare koolwaterstoffen: brandstoffen en chemische bouwstenen, gemaakt uit lucht in plaats van uit olie.

Visie op de lange termijn botst met korte termijn-politiek

De wetenschap is er in grote lijnen, stelt Kitagawa, maar de politiek kijkt zelden verder dan een paar jaar vooruit. Zijn droom om het ‘onzichtbare goud’ in vijftig jaar op grote schaal te delven, vraagt enorme investeringen en een blik op de lange termijn. Juist daarom, zegt hij, greep hij zijn plenaire lezing aan om jonge onderzoekers te inspireren en mobiliseren.

Een verdunde moleculaire economie is taai

De overstap naar een ‘verdunde moleculeneconomie’ is echter technisch moeilijk. Kooldioxide vormt maar 0,04% van de atmosfeer; het direct uit lucht halen kost nu veel energie en geld. Kitagawa is ervan overtuigd dat nieuwe, nog selectiever poreuze materialen deze gasvangst veel efficiënter en goedkoper kunnen maken.

Slimme, zachte MOF’s die meebuigen en selecteren

Zijn onderzoeksgroep ontwikkelt daarvoor zachte, poreuze MOF’s. Sommige daarvan zijn zeer flexibel en kunnen bijna in volume verdubbelen wanneer ze gastmoleculen opnemen, wat ze interessant maakt voor mechanische toepassingen zoals actuatoren. Andere structuren veranderen nauwelijks van grootte, maar herschikken lokaal hun organische liganden en zijn daardoor uitermate geschikt voor het heel gericht scheiden van gassen. Deze materialen zijn veel robuuster dan oudere varianten en kunnen vele cycli van adsorptie en desorptie doorstaan.

Water buiten houden, CO₂ naar binnen halen

Een extra uitdaging is dat zowel uitlaatgassen als omgevingslucht waterdamp bevatten, die de selectieve opname van CO₂ verstoort. Kitagawa’s team ontwierp daarom MOF’s met hydrofobe poriën. Water wordt afgestoten, terwijl kooldioxide juist wordt aangetrokken en vastgehouden – een cruciale stap richting efficiënte CO₂-afvang uit echte, vochtige gasstromen.

Een visionaire routekaart voor de chemie van morgen

Gill Reid, voormalig voorzitter van de Royal Society of Chemistry en expert in coördinatiechemie, noemt Kitagawa’s idee een buitengewoon toekomstbeeld. Zijn reis van de ontdekking van coördinatiecomplexen met moleculaire ‘gaten’ tot het doelbewust ontwerpen van dynamische structuren die gassen als methaan en kooldioxide met grote precisie kunnen opnemen en weer afgeven, beschrijft zij als diep inspirerend – een voorproef van een chemie die de lucht zelf als mijn gebruikt.

Bron: ChemistryWorld
Lees ook: ‘Slimmer’ zink biedt sterkere bescherming

Voorbehoud
Deze informatie is met de grootst mogelijke zorg samengesteld, in sommige gevallen uit verschillende informatiebronnen en met behulp van AI. (Interpretatie)fouten zijn niet uitgesloten. Er kan dus geen enkele wettelijke verplichting aan deze tekst worden ontleent. Iedereen die met dit onderwerp te maken krijgt, heeft zelf de verantwoordelijkheid om zich in de materie te verdiepen!