Mangaan, een veelgebruikt maar weinig besproken metaal, blijkt een sleutelrol te kunnen spelen in de productie van betaalbare waterstof via CO2. Een slimme katalysator zorgt ervoor dat koolstofdioxide kan worden omgezet in een waterstofdrager, wat de weg vrijmaakt voor duurzamere brandstofcellen.
Mangaan is een metaal dat in het dagelijks leven nauwelijks de aandacht krijgt. Het is overvloedig, goedkoop en veilig, en wordt vooral gebruikt in staalproductie en batterijen. Toch zou het binnenkort een centrale rol kunnen spelen in de toekomst van schone energie.
Volgens de studie, gepubliceerd in Chem, hebben onderzoekers van Yale University en de University of Missouri aangetoond dat mangaan efficiënt CO2 kan omzetten in formiaat (mierenzuur), een chemische verbinding die kan dienen als waterstofdrager. Daarmee ontstaat een nieuwe route om waterstof beschikbaar en betaalbaar te maken.
Formiaat kan gamechanger zijn
Waterstofbrandstofcellen zijn al lang bekend als schone energiebron. Ze zetten waterstof om in elektriciteit, met nul CO2-uitstoot op het moment van gebruik. Dat maakt ze ideaal voor transport, noodstroomvoorzieningen en industriële toepassingen.
Het probleem? Waterstof is lastig op te slaan en te transporteren, en de productie is vaak nog kostbaar en fossiel-afhankelijk. Hier komt formiaat om de hoek kijken: formiaat is vloeibaar, veilig, en kan makkelijk op industriële schaal worden geproduceerd. Waterstof kan dan uit het formiaat worden vrijgemaakt wanneer dat nodig is.
Simpel gezegd: formiaat fungeert als een waterstofdrager, een chemische opslagvorm van waterstof die het veel gemakkelijker maakt om waterstof in te zetten in de praktijk.
Het probleem met huidige katalysatoren
De duurzame productie van formiaat is een uitdaging. Momenteel wordt het vooral geproduceerd uit fossiele grondstoffen, wat de milieuwinst ondermijnt. Een alternatief is de directe omzetting van CO2 uit de lucht naar formiaat, maar daarvoor zijn katalysatoren nodig.
De meest effectieve katalysatoren zijn gebaseerd op edelmetalen zoals palladium of iridium. Deze zijn duur, schaars, en soms toxisch. Mangaan, een veel goedkoper en veiliger metaal, faalde in eerdere experimenten omdat het te snel instabiel werd tijdens de chemische reacties. Tot nu.
Resultaten overtreffen edelmetaal
De doorbraak kwam door een slimme aanpassing van de moleculaire structuur rondom het mangaanatoom. Het team voegde een extra donoratoom toe aan de ligand — het moleculaire raamwerk dat het metaal vasthoudt en zijn gedrag stuurt. Dit verhoogde de stabiliteit van de katalysator enorm, waardoor het mangaan veel langer actief bleef.
Het resultaat: de nieuwe mangaan-katalysatoren zetten CO2 efficiënter om in formiaat dan veel edelmetaalkatalysatoren. Volgens de onderzoekers is dit een zeldzaam voorbeeld waarin een goedkoop, overvloedig metaal een dure edelmetaaloplossing overtreft in een veeleisende chemische reactie.
“Het is bijzonder dat een goedkoop en overvloedig metaal zo’n complexe chemische reactie kan uitvoeren, iets waar normaal dure edelmetalen voor nodig zijn”, aldus onderzoeker Nilay Hazari.
Sleutelrol voor mangaan?
De implicaties gaan verder dan waterstofbrandstofcellen. Het ontwerpprincipe kan worden toegepast op andere chemische reacties die belangrijk zijn voor duurzame energie en circulaire chemie. Denk aan:
- Groene chemische producten
- Synthetische brandstoffen
- Kunstmest zonder fossiele grondstoffen
Mangaan zou zo een centrale rol kunnen krijgen in een breed scala van groene technologieën, waardoor schone energie niet alleen duurzamer, maar ook betaalbaarder wordt.
Nieuwe wegen voor de energietransitie
Door te laten zien dat een veelgebruikt maar ‘vergeten’ metaal edelmetalen kan overtreffen, opent deze studie nieuwe wegen voor de energietransitie. Het maakt waterstof via CO2 niet alleen mogelijk, maar ook economisch aantrekkelijk. Voor onderzoekers, industrie en beleidsmakers is dit een belangrijke stap richting realistische, schaalbare en betaalbare waterstoftechnologie.
“Ik ben enthousiast dat ons ligandontwerp zo’n betekenisvol resultaat oplevert,” zegt Justin Wedal. “Het laat zien dat een goedkoop en overvloedig metaal als mangaan echt een verschil kan maken voor betaalbare waterstofproductie uit CO2.”
