Gedraaide koperkatalysator blokkeert waterstof bij CO2-omzetting

Onderzoekers proberen al jaren om CO2 met stroom om te zetten in bruikbare grondstoffen, zoals koolmonoxide en formiaat. Dat proces heet CO2-reductie en kan helpen om broeikasgas te hergebruiken in plaats van simpelweg op te slaan. Het probleem: tijdens deze reactie ontstaat vrijwel altijd ook waterstofgas, een bijproduct dat energie verspilt en de opbrengst van de gewenste stoffen verlaagt. Wetenschappers van het National Laboratory of the Rockies (NLR) in de Verenigde Staten denken nu een manier te hebben gevonden om die storende bijreactie te dwarsbomen.

Een spiraal als elektronenfilter

De truc zit in de vorm van de katalysator. Het onderzoeksteam maakte elektroden van koper met een depositietechniek waarbij het metaal een spiraalvormige, chirale structuur krijgt. Chiraliteit betekent dat een structuur een linker- en rechterversie heeft die elkaars spiegelbeeld zijn, vergelijkbaar met onze handen. Die gedraaide vorm blijkt een bijzonder effect te hebben op elektronen: het zogeheten chiral-induced spin selectivity-effect, of CISS-effect. Wanneer elektronen door de spiraalstructuur bewegen, krijgt hun spin een voorkeursrichting. Het gedraaide koper werkt daardoor als een soort filter voor elektronenspin.

Om te testen of dit werkt, lieten de onderzoekers CO2-verzadigde bicarbonaatoplossing over de gedraaide koperelektroden stromen. Vergeleken met gewone, niet-chirale koperelektroden produceerden de gedraaide varianten duidelijk meer koolmonoxide en formiaat, en beduidend minder waterstof. Volgens onderzoeker Van de Lagemaat laat dat zien dat de chirale structuur echt invloed heeft op welke reactie de overhand krijgt.

Spin zichtbaar gemaakt

Een verandering in de eindproducten is geen hard bewijs dat spin de oorzaak is. Daarom gebruikte het team een ultrasnelle meettechniek, time-resolved Kerr ellipticity, om spinveranderingen in het materiaal rechtstreeks te volgen. De metingen toonden een opeenhoping van elektronenspin aan het oppervlak van het gedraaide koper, precies zoals de theorie voorspelt. De verklaring is verrassend eenvoudig: om een waterstofmolecuul te vormen, moeten twee waterstofatomen elektronen met de juiste, tegengestelde spin samenbrengen. Doordat de chirale structuur de spin van elektronen als het ware gelijkschakelt, wordt die koppeling lastiger. Waterstofvorming wordt zo onderdrukt, waardoor er meer ruimte overblijft voor de gewenste CO2-reacties.

Nieuwe knop voor chemische fabrieken

De onderzoekers benadrukken dat hun koperelektrode nog geen kant-en-klare industriële katalysator is. Het werk levert vooral bewijs voor een mechanisme dat ingenieurs later kunnen gebruiken om CO2-elektrolysers selectiever te maken, wat de kosten van ongewenste bijproducten kan verlagen. Volgens het team is de aanpak mogelijk breder toepasbaar, bijvoorbeeld bij reacties met stikstof of koolmonoxide, waar waterstofvorming eveneens vaak roet in het eten gooit. De studie, gepubliceerd in het vakblad Nature Energy, suggereert dat de vorm van een katalysator — en de spin die deze oplegt aan elektronen — een extra ontwerpknop wordt naast de gebruikelijke keuzes in samenstelling en oppervlaktestructuur.