Olie is niet alleen onmisbaar als brandstof, maar ook als grondstof voor… ja, waarvoor niet? Onder meer oplosmiddelen, cosmetica en plastic en andere kunststoffen. De bouwstenen daarvoor zijn lichte olefines oftewel alkenen. Het zijn simpele stoffen: twee tot vier koolstofatomen met een dubbele binding en verder waterstofatomen eraan. Ze worden nu gemaakt door olie te ‘kraken’. Maar die olie is natuurlijk een keer op. In Science van deze week staat het begin van een alternatief beschreven, ontwikkeld in Nederland. Misschien wordt het nog goedkoper ook.

‘Wij werken aan een proces waarmee je die bouwstenen kunt maken van alles waar koolstof in zit: aardgas, kolen, maar ook biomassa’, zegt Hirsa Torres Galves, een Colombiaanse promovendus aan de Universiteit Utrecht. Co-promotor Harry Bitter zit ook aan tafel. De eerste stap die je nodig hebt, is al lang bekend, zegt hij: het spul omzetten in koolmonoxide en waterstofgas. Dat is onderdeel van het Fischer-Tropsch-proces, in de jaren twintig van de vorige eeuw ontwikkeld om diesel te maken uit steenkool.

De procedure in een notendop: je verbrandt de kolen, biomassa, of wat je maar hebt, met weinig zuurstof, doet er stoom bij en leidt het hete mengsel langs een katalysator. Dat geeft koolmonoxide (CO) en waterstof (H2). En dan is het zaak om de C’tjes aaneen te rijgen tot ketens van de gewenste lengte. Bitter: ‘Meer dan zeven stuks als je diesel wilt maken, dat is relatief eenvoudig. Maar wij willen kortere, en dat is veel lastiger.’

IJzerdeeltjes

Het onderzoek van Torres draait om de ontwikkeling van een katalysator, een stof die de juiste reacties op weg helpt zonder zelf verbruikt te worden. ‘We gebruiken ijzerdeeltjes, net als bij het maken van diesel. Bij een hogere temperatuur krijg je vanzelf kortere ketens. Maar dan ontstaan er twee problemen. De ijzerdeeltjes raken gefragmenteerd en er ontstaan koolstofnanovezels op, waardoor de katalyserende werking afneemt en zelfs helemaal kan stoppen.’

Als je begint met heel kleine deeltjes, rond de twee honderdduizendste van een millimeter groot, fragmenteren die niet, legt ze uit. Maar die hebben weer een eigen probleem: ze hebben de neiging samen te klonteren. Ook dat gaat ten koste van de werkzaamheid. ‘Dat proberen we op te lossen door ze op een ondergrond vast te zetten. Heeft die ondergrond een hoge affiniteit voor de ijzerdeeltjes, dan blijven ze stevig vastzitten. Toch is dat niet goed, de reactie verloopt dan erg langzaam.' Ze hebben hun handen dan niet meer vrij voor de reactie, zou je kunnen zeggen.

Net stevig genoeg

Een ondergrond die de ijzerdeeltjes net stevig genoeg vasthoudt, maar ze niet afleidt van hun taak, dat is de bedoeling, zegt Bitter. ‘Het ijzer verbindt zich dan met koolstof tot ijzercarbide – daar zijn zeven vormen van, maar laten we dat maar overslaan – en daar groeien de olefines aan.’

We lopen naar het lab, waar Torres laat zien wat ze in de praktijk doet. Het begint met korreltjes van het dragermateriaal, gewoon in een klein glazen potje. Daar giet ze een oplossing overheen waar de ijzerdeeltjes inzitten. Het resultaat: roestkleurige korrels. Die gaan in een bochtig glazen buisje, dat ze vervolgens in een apparaat zet. Aan de ene kant blaast ze er dan een mengsel van koolmonoxide en waterstof in, en het gas dat er weer uit komt gaat een analyseapparaat in. Op het beeldscherm verschijnt dan een lijn met een aantal pieken, die ieder een stof voorstellen: methaan, de olefines, langere ketens. Bij de beste katalysatoren ligt de opbrengst van olefines rond de 60 procent. Torres: ‘En ze houden dat vol, ook na 160 uur.’

Uit de proeven van Torres blijkt dat een ondergrond van α-Al2O3 of koolstofnanovezels voorlopig het best werkt. Het hele procedé is gepatenteerd. Gaat het ook in de praktijk gebruikt worden? Daar weten deze twee onderzoekers het fijne niet van. Bitter: ‘We werken in dit project samen met DOW Benelux, en het kan zijn dat zij bezig zijn om te kijken hoe ze dit op industriële schaal kunnen toepassen. Maar dat vertellen ze ons niet. Wij gaan intussen door met finetunen.’

Hoe duur het proces om van planten plastic te maken uiteindelijk zal uitpakken, durven ze niet te zeggen. Zou het ooit goedkoper kunnen worden dan plastic maken van olie? ‘Wie weet’, zegt Bitter.

Supported iron nanoparticles as catalysts for sustainable production of lower olefins, Hirsa Torres, et. al., Science, 17 februari 2012