‛Heterogene afvalstromen vergassen en omzetten via het Fischer-Tropschproces kan belangrijk worden voor de circulaire economie’, voorspelt Emiel Hensen, hoogleraar anorganische chemie aan de TU Eindhoven. ‛En dan is het een voordeel als je processen hebt om er efficiënt zowel chemicaliën als brandstoffen van te maken.’ 

Al bijna een eeuw wordt Fischer-Tropsch (FT) vooral geassocieerd met die brandstoffen. FT zet synthesegas, een mengsel van CO en H₂, om in een mix van koolwaterstofketens. Als katalysator dienen ijzer- of kobaltdeeltjes. Het proces is ooit uitgevonden om synthetische benzine te maken uit steenkool, maar het werkt ook met aardgas (dan heet het gas to liquids of GTL) en alle andere koolstofbronnen waarvan je voldoende beschikbaar hebt.  

Aan de productkant is het lastiger te beheersen. Hensen doet onderzoek naar de productie van lineaire α-olefines, ketens van vijf tot tien koolstofatomen met één dubbele binding aan het eind. Korter dus dan wat er gemiddeld in benzine zit, en bruikbaar als chemische bouwstenen voor bijvoorbeeld polyetheen. Tot nu toe ging dat verre van efficiënt; onbedoeld werd de helft van de CO omgezet in CO₂. En pogingen om die ‛CO₂-selectiviteit’ te verlagen door de kat te verrijken met Na, S of andere elementen als promotor, bleken vooral te leiden tot deactivering.  

Het juiste carbide 

Samen met het National Institute for Clean-and-low-carbon Energy (NICE) in Beijing heeft Hensens groep nu weten te achterhalen hoe je die CO₂-vorming kunt beperken. Het geheim zit in de preparatie van de katalysator-nanodeeltjes. Bekend was al dat ijzer, anders dan kobalt, onder FT-condities meteen reageert met CO. Op het oppervlak krijg je zo een mix van ijzeroxides en ijzercarbides.  

‛Eerder lieten we in Science Advances al zien dat een katalysator met een laagje zogeheten ε-fase carbide, maar zonder oxides, veel minder CO₂ produceert dan traditionele ijzerkatalysatoren’, vertelt Hensen. ‛Maar die ε-fase is niet stabiel in het bredere temperatuurgebied, rond 300 °C, waarin we wilden kijken naar de synthese van chemicaliën.’ 

In een recente Nature-publicatie onthullen Hensens groep en NICE nu het recept om een andere ijzercarbidefase te kweken, aangeduid als χ-Fe₅C₂, die veel beter voldoet. ‛De activiteit is tien tot vijftig keer hoger dan bij eerdere α-olefineprocessen, en de CO₂-selectiviteit is gedaald tot 9%’, zegt Hensen trots. Hij voegt er aan toe dat de Chinese interesse geen toeval is. ‛Het is een kolenland. Ze hebben nu al de op een na grootste FT-installatie ter wereld staan, na die van Shell in Qatar.’ 

Reviewer 

Hensen verklapt dat er al twee of drie vervolgpublicaties liggen te wachten, met nog veel lagere CO₂-selectiviteiten. Alleen konden die de deur niet uit vóórdat Nature het huidige werk publiceerde – en dat heeft bijna vijf jaar geduurd. ‛Het is bekend dat Nature langzaam is. In dit geval ontstond een discussie met een reviewer die erg moeilijk was te overtuigen. We hebben even overwogen het terug te trekken en elders aan te bieden, maar als je al zó ver bent…’ 

Peng Wang, et al., Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe₅C₂, Nature (2024), doi:10.1038/s41586-024-08078-5

Peng Wang, Wei Chen, et al., Synthesis of stable and low-CO₂ selective ε-iron carbide Fischer-Tropsch catalysts, Science Advances (2018), doi:10.1126/sciadv.aau2947