Gedeeltelijk geoxideerd kobalt is een ongekend goede katalysator voor de reductie van koolstofdioxide tot vloeibare brandstoffen. Wat vooral verrassend is omdat ongeoxideerd kobalt in deze setting niks doet, schrijven Chinese onderzoekers in Nature.

Je hebt het dan over elektrochemische reductie, waarbij je elektrische energie in je CO₂ pompt om er weer iets oxideerbaars (in dit geval voornamelijk formaat, HCOO^–) van te maken. Om zo’n reactie op gang te brengen is altijd een hoger potentiaalverschil nodig dan het elektrochemische minimum. Die ‘overpotentiaal’ is puur energieverlies en de katalysator moet dat verlies zo laag mogelijk houden.

Voor die katalysator ligt kobalt volgens Yi Xie en collega’s voor de hand: het is goedkoop, wordt in de chemische industrie al veel gebruikt en beschikt als overgangsmetaal over een d-schil met tamelijk los zittende elektronen. Maar in de praktijk is de ervaring met metallisch kobalt dat het voor CO₂-reductie waardeloos is.

De oplossing komt neer op het gebruik van kobaltlaagjes van maar vier atomen dik, waarbij je gecontroleerd een deel van de atomen aan het oppervlak oxideert. In de praktijk gaat het omgekeerd: je laat kobalt(III) acetylacetonaat, Co(acac)₃, condenseren op een oppervlak waarna je met dimethylformamide een deel van het Co³⁺ reduceert tot Co. Die laatste reactie gaat heel langzaam, zodat je het omzettingspercentage prima in de hand kunt houden.

Onder de elektronenmicroscoop lijkt het er sterk op dat je dan minuscule kubische Co₃O₄ -kristalletjes krijgt die in een hexagonaal Co-metaalrooster liggen ingebed.

Na drie ur dimethyldormamide bij 220 graden Celsius heb je een oppervlak dat CO₂ efficiënter adsorbeert dan puur metallisch kobalt, en bovendien de vorming van CO₂^.– radicaal-anionen katalyseert. Als je die eenmaal hebt gaat de rest van de reductie haast vanzelf. Over het onderliggende mechanisme durven de Chinezen overigens nog geen harde uitspraken aan.

Ze melden wél dat de kobalt/kobaltoxidekat zeer robuust en stabiel lijkt te zijn. Bij een stroomdichtheid van 10 mA/cm2 hadden ze maar 0,24 V overrpotentiaal nodig om een product te maken dat voor 90% uit formaat bestond, en dat hield de kat minstens 40 uur vol. Voor zover bekend is dat een record voor metaal- of metaaloxidegekatalyseerde CO₂-reductie.

bron: Nature