CO2-moleculen laten trillen om de top van de energieladder te bereiken

In theorie kan je moleculen opbreken door ze hard te laten trillen. CO₂ echter bijzonder stabiel. Ong: "Om het kapot te maken, heb je temperaturen nodig van een paar duizend graden. Dat kost ontzettend veel energie."

Wetenschappers wereldwijd zijn daarom op zoek naar een slimme manier om CO₂ op een energiezuinige manier te splitsen. Eén van de trucs maakt gebruik van het feit dat de atomen in een CO₂-molecuul ten opzichte van elkaar kunnen trillen, alsof ze met een springveer met elkaar verbonden zijn. "Die trillingen vinden plaats bij specifieke frequenties", vertelt Ong. Elk type trilling heeft energieniveaus die je kunt voorstellen als treden van een ladder. Hoe hoger op de ladder, des te harder het molecuul trilt en des te minder energie het kost om een atoom los te maken uit het molecuul. Ze trillen als het ware kapot.

Sovjet-experimenten

Bij EPG, waar Ong experimenten heeft gedaan, proberen onderzoekers plasma’s te maken waarin CO₂-moleculen door onderlinge botsingen de vibratieladder beklimmen."Er zijn aanwijzingen uit oude Sovjet-experimenten dat dit een heel efficiënt proces kan zijn om CO2 te splitsen", zegt ze. Met infrarood licht kun je een CO₂-molecuul naar de onderste trede van de vibratieladder duwen. Telkens als vervolgens twee moleculen botsen, gaat één van beide een stapje hoger de ladder op en keert de andere terug naar de zogeheten grondtoestand. Die stappen volgen elkaar razendsnel op, tot het molecuul bij de laatste botsing in twee stukken breekt.

"We weten dat dit goed werkt bij moleculen die uit twee atomen bestaan", legt Ong uit. "Maar voor drie-atomige moleculen zoals CO₂ was het maar de vraag of de moleculen hun energie niet tijdens het proces kwijt zouden raken. Dan kom je dus niet bovenaan de ladder."

 
Dit heeft Ong getest met de Felix-laser van de Radboud Universitei. "Daarmee kan je licht maken met de juiste golflengte en intensiteit voor mijn experimenten." De uitkomsten van haar experimenten, aangevuld met metingen met een laser van Differ, laten volgens de TU geen ruimte voor twijfel: het ladderklim-effect bestaat echt in CO₂. Dat biedt kansen, mede omdat de experimenten bij lage temperatuur en bij hoge druk – tot wel 20 bar – zijn uitgevoerd.

"In deze tak van chemie, waarbij moleculen in trilling worden gebracht, worden botsingen normaal gezien als iets slechts en is werken bij lage druk daarom gebruikelijk. Botsingen kunnen namelijk ook ervoor zorgen dat moleculen zijn trillingsenergie verliezen en van de ladder afvallen. Volgens mijn onderzoek wint het ladderklimmen dus van het energie verliezen, zelfs bij veel botsingen in experimenten die bij hoge druk worden uitgevoerd. Dat is voor deze tak van chemie een zeer interessant resultaat."

Of het ook voor de productie van zonnebrandstoffen een uitkomst zal blijken, is nog de vraag. "Het doel was energiezuinigheid en helaas gebruiken lasers juist veel energie." Maar wie weet wat de toekomst brengt. "Er wordt gewerkt aan ledlampen die het juiste infraroodlicht uitzenden. Als die energiezuinig en intens genoeg zijn, zie ik wel mogelijkheden voor de ladderklim-methode."