Succesvolle onderzoekers zijn in staat iets te vinden waar ze niet naar op zoek zijn. Penicilline, Viagra en inkjetprinters zijn aan zulke serendipiteit te danken. Scheikundigen van het Leiden Institute of Chemistry maakten vorig jaar ook een sterk staaltje mee. Ze waren bezig met onderzoek naar de rol van nikkel in enzymen. Maar ze ontdekten een manier om CO2 uit de lucht te halen met koper. Ze publiceren dat deze week in Science.

“Een complete verrassing”, zo karakteriseert onderzoeksleider Lies Bouwman de Leidse ontdekking. “Wij waren eigenlijk helemaal niet bezig met CO2. We ontwerpen moleculen die lijken op de actieve centra van enzymen. Daarmee bestuderen we de rol van metaalatomen in die enzymen. Zo kunnen we katalysatoren onwikkelen, bijvoorbeeld voor de productie van waterstof.”

De Leidenaren ontwikkelden zo een molecuul met nikkel erin. Ter vergelijking maakten ze ook varianten met zink. En met koper. En toen kwam de verrassing. Een oplossing van de kopervariant verkleurde van geel naar groen en na drie dagen lagen er kristallen op de bodem. Daar wilden de onderzoekers meer van weten. Met röntgenanalyse, uitgevoerd in samenwerking met het Bijvoet Centrum van de Universiteit Utrecht, werd duidelijk dat de kristallen oxalaat-ionen bevatten. Die bestaan in feite uit twee gekoppelde CO2-moleculen. De gele oplossing had het CO2 spontaan uit de lucht opgenomen en omgezet in oxalaat.

Zinvol
Bouwman besefte direct de potentie van het koperhoudende molecuul voor CO2-afvang. Het mooie is dat het gevormde oxalaat geen afvalproduct is. Het is chemisch gezien zinvol toe te passen. Als oxaalzuur bijvoorbeeld, onder andere te vinden in roestverwijderaars. Er is ook ethyleenglycol van te maken, bekend als anti-vriesmiddel in de ruitensproeier van auto’s. Verder is het volgens Bouwman bijzonder dat het molecuul alleen het CO2 uit de lucht haalt. Zuurstof, dat in veel hogere concentraties voorkomt en veel reactiever is, heeft geen verstorende invloed.

Reden genoeg voor verdere studie. Eerst was het nodig het oxalaat uit de omhelzing van het molecuul te bevrijden. De Leidse chemici gebruikten daarvoor een bekende truc. Ze voegden een oplosbaar zout toe dat tot de vorming leidt van een onoplosbaar oxalaatzout. De kristallen die dan onstaan zijn simpelweg uit de oplossing te filteren.

Bleef over een leeg molecuul, dat opnieuw geschikt gemaakt moest worden voor de opname van CO2. Elektriciteit bood daarbij de helpende hand – eigenlijk net als met het opladen van een batterij. Met het ‘opgeladen’ molecuul kan de CO2-vangst weer van voren af aan beginnen. Zo fungeert het als katalysator: het maakt de vorming van oxalaat uit CO2 mogelijk, maar wordt zelf niet verbruikt. Daarmee ligt de weg open naar een nieuwe technologie voor de omzetting van CO2 in chemisch nuttige verbindingen.

Doorbraak
Science geeft de Leidse ontdekking aandacht in een speciaal nieuwsbericht en een podcast. En dat terwijl het gerenommeerde wetenschapsblad het Leidse artikel in eerste instantie had afgewezen. “Daar was ik wel verbaasd over”, zegt Bouwman. “We hadden het juist naar Science gestuurd omdat CO2-opname zo’n actueel onderwerp is.” Onderkoeld: “Daar heb ik de redactie wel even op gewezen”.

Bouwmans volharding bleek terecht. Science ging overstag en inmiddels ontving de onderzoekster emails en telefoontjes uit alle hoeken van de wereld. Ze schrijft het toe aan de “CO2-hype”, maar daarmee doet ze de ontdekking tekort. Eén van de beoordelaars van het Science-artikel spreekt zelfs van een ‘fundamentele doorbraak’, zo weet de Leidse universiteit te melden.

Doorbraak of niet, in de praktijk is er nog veel werk te verrichten. De Leidse katalysator is voorlopig nog niet actief genoeg. Bouwman: “Het kost ons zes uur om zes omzettingen te bereiken. Per katalysatormolecuul levert dat in die tijd dus twaalf oxalaatmoleculen. Dat is bij lange na niet genoeg voor industriële toepassing.”

In Bouwmans lab wordt daarom bekeken hoe de bouw van het katalysatormolecuul van invloed is op de omzetting. “Eigenlijk weten we nog niet precies wat er voor zorgt dat het molecuul zo’n affiniteit voor CO2 heeft. Als we dat begrijpen kunnen we doelgericht aan verbetering werken.” Bouwman benadrukt dat uiteindelijk een bedrijf of een technische universiteit aan de slag zal moeten gaan om er een haalbaar proces van te maken. Zelf gaat ze vooral verder met het onderzoek naar enzymen. Waar het allemaal om begonnen was.

Harm Ikink

R. Angamuthu e.a. 'Electrocatalytic CO2 Conversion to Oxalate by a Copper Complex', in Science, 15 januari 2010.