Een nieuwe revolutionaire reactor produceert waterstof én hoogwaardige batterijmaterialen uit methaan, zonder CO2. Het proces benut bijna al het gas en biedt volgens onderzoekers een realistisch pad naar industriële opschaling.
Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een doorbraak gerealiseerd die twee snelgroeiende markten tegelijk bedient: schone waterstof en carbon nanotubes (CNT’s). Door methaangas in een gesloten kringloop te gebruiken, weten zij waterstof en hoogwaardige CNT’s te produceren zonder dat er koolstofdioxide vrijkomt. Daarmee lossen ze een hardnekkig probleem op in zowel de waterstofeconomie als de materialenindustrie.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Energy, verbetert het nieuwe proces de opbrengst van carbon nanotubes met een factor 8,7 en stijgt de procesefficiëntie zelfs met een factor 446 ten opzichte van bestaande methoden.
Waterstof zonder CO2: heilige graal voor de energietransitie
Waterstof geldt als een veelbelovende energiedrager omdat het bij verbranding alleen water produceert. In de praktijk is ‘groene’ waterstof echter schaars. De dominante productiemethode, steam methane reforming, stoot aanzienlijke hoeveelheden CO2 en koolmonoxide uit.
De Cambridge-onderzoekers keken daarom naar een alternatief proces: methaanpyrolyse. Daarbij wordt methaan thermisch ontleed in vaste koolstof en waterstofgas. Geen CO2, geen koolmonoxide. Tot nu toe was waterstof hierbij slechts een bijproduct, terwijl de focus lag op de productie van CNT’s.
Carbon nanotubes: onmisbaar voor batterijen en elektronica
Carbon nanotubes zijn extreem sterke en goed geleidende nanostructuren. Ze worden onder meer gebruikt als additief in lithium-ionbatterijen om de energiedichtheid en levensduur te verbeteren. Met de wereldwijde opschaling van elektrische mobiliteit groeit ook de vraag naar CNT’s explosief.
Traditioneel worden CNT’s geproduceerd in zogeheten fluidized-bed- of packed-bed-reactoren. Voor hoogwaardige, langere nanotubes is echter een gasfaseproces nodig: floating catalyst chemical vapor deposition (FCCVD).
Gesloten kringloop lost groot probleem op
Traditionele FCCVD-processen gebruiken methaan als koolstofbron, maar vereisen ook extra waterstof om roetvorming te voorkomen. Doorgaans gaat het gas slechts één keer door de reactor (single-pass), wat leidt tot veel onbenut methaan en lage efficiëntie; wereldwijd draait momenteel slechts één pilotinstallatie op deze manier.
Cambridge-onderzoekers losten dit op met een multipass-systeem, waarbij het gas continu circuleert totdat vrijwel al het methaan is omgezet. Waterstof die tijdens het proces ontstaat, wordt deels afgetapt om het systeem stabiel te houden, terwijl de gevormde carbon nanotubes als mat uit de reactor rollen.
Acht keer meer opbrengst, honderden keren efficiënter
Het resultaat is indrukwekkend. Door het gesloten systeem neemt de verspilling drastisch af. In vergelijking met een single-pass-reactor rapporteert het team 8,7 keer hogere koolstofopbrengst én 446 keer hogere molaire procesefficiëntie.
Die molaire efficiëntie geeft aan hoe effectief elke afzonderlijke gasmolecule wordt benut—een cruciale parameter voor industriële opschaling. Computersimulaties op basis van data uit commerciële installaties tonen bovendien dat een opgeschaalde versie van het systeem tot 75 procent van het gas kan omzetten in CNT’s en waterstof, in een verhouding van ongeveer 3:1.
Extra duurzaam perspectief
Interessant is dat de reactor ook werkte met een gasmengsel van methaan en koolstofdioxide, vergelijkbaar met de output van biogasinstallaties. Dat opent de deur naar koppeling met afvalverwerking en landbouw, waarbij reststromen worden omgezet in hoogwaardige materialen en schone brandstof.
Als deze aanpak industrieel schaalbaar blijkt, kan ze een sleutelrol spelen in een circulaire economie: methaan wordt niet verbrand, maar omgezet in vaste koolstof met hoge economische waarde en emissievrije waterstof.
Meer dan een laboratoriumsucces
De combinatie van CO2-vrije waterstofproductie en hoogwaardige CNT’s is strategisch interessant. Waterstof kan worden ingezet in industrie en mobiliteit, terwijl CNT’s cruciaal zijn voor batterijen, elektronica en composieten. Door beide in één proces te produceren, verbetert de businesscase aanzienlijk.
De studie laat zien dat de energietransitie niet alleen draait om nieuwe energiebronnen, maar ook om slimme chemische procesinnovaties. Cambridge heeft met deze gesloten methaanloop een veelbelovende route geopend—één die zowel de klimaatdoelen als de industrie vooruit kan helpen.
