CO2 als brandstof? Catalysatorontdekking verandert emissies in een kans

Methanol is een belangrijke grondstof voor een groot aantal chemische producten, waaronder kunststoffen en brandstoffen. Het wordt vaak beschreven als “een universele precursor voor de productie van een breed scala aan chemicaliën en materialen,” in wezen “het Zwitserse zakmes van de chemie,” zoals opgemerkt door Javier Pérez‑Ramírez, professor Catalyse‑Engineering aan de ETH Zürich.

De vloeistof speelt een sleutelrol in de overgang naar duurzame productie van chemische producten en brandstoffen, maar alleen als de energie die wordt gebruikt om waterstof te produceren en katalyse aan te drijven duurzaam wordt opgewekt. In dat geval kan methanol uiteindelijk klimaatneutraal worden geproduceerd, waardoor een milieuvriendelijke manier ontstaat om koolstofdioxide (CO₂) uit de atmosfeer te gebruiken.

Echter, conventionele methanolproductie is grotendeels onduurzaam, aangezien het overgrote deel wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, wat leidt tot hoge uitstoot van broeikasgassen (BKG).

Dat kan binnenkort veranderen, want wetenschappers van ETH Zürich hebben nu een methode ontwikkeld om methanol te synthetiseren die de basis kan vormen voor een fossielvrije chemische industrie. Gepubliceerd in Nature, de studie¹ beschrijft hoe de vloeibare alcohol kan worden geproduceerd uit waterstof en koolstofdioxide met behulp van individuele metaalatomen als katalysatoren.

Naarmate wetenschappers blijven zoeken naar manieren om chemische reacties efficiënter te maken met katalysatoren, zou deze nieuwe methode van ETH‑Zürich‑onderzoekers ook een economischere inzet van zeldzame en dure metalen kunnen mogelijk maken.

By placing isolated indium atoms on a support material, the researchers have developed a catalyst that can convert CO₂ and H₂ into methanol far more efficiently.

De koolstofonevenwichtigheid creëert uitdagingen & kansen

Koolstofdioxide (CO₂) is een kleurloos, reukloos en niet‑giftig gas dat een vitale rol speelt in de natuurlijke systemen van de aarde. Planten gebruiken CO₂ tijdens fotosynthese om energie‑rijke verbindingen te produceren en geven zuurstof af als bijproduct. Dit proces is essentieel voor het menselijk overleven. CO₂ neemt ook deel aan de wereldwijde koolstofcyclus, waarbij koolstofatomen continu bewegen tussen de atmosfeer, het aardoppervlak en levende organismen.

Ondanks zijn natuurlijke belang fungeert CO₂ als een belangrijk broeikasgas. Het vangt warmte van zonlicht op in de atmosfeer, waardoor een opwarmend effect ontstaat dat temperaturen geschikt houdt voor leven. Zonder broeikasgassen zou de aarde te koud zijn om te bewonen. Verhoogde concentraties intensiveren echter deze opwarming, wat leidt tot wereldwijde opwarming en klimaatverandering.

Koolstof circuleert continu door meerdere reservoirs: gesteenten, sedimenten, de atmosfeer en levende organismen. Het keert terug naar de atmosfeer via ademhaling, afbraak van organismen, vulkaanuitbarstingen en branden. Menselijke activiteiten domineren nu echter dit evenwicht. Sinds de industrialisatie begin 19e eeuw hebben landontwikkeling en verbranding van fossiele brandstoffen koolstofemissies gegenereerd die ver boven de opnamecapaciteit van natuurlijke sinks liggen. Daardoor zijn de atmosferische CO₂-concentraties scherp gestegen en blijven ze versnellen.

Wereldwijde CO₂-emissies uit fossiele brandstoffen en industrie bereikten 38,11 miljard metrische ton (GtCO₂) in 2025, een stijging van meer dan 69 % sinds 1990, volgens gegevens van Statista. China is de grootste bijdrager aan deze wereldwijde BKG‑emissies, gevolgd door de VS.

Industrialiserings- en economische groei in recente decennia leidden tot een bijna 450 % toename van CO₂-emissies in het Aziatische land gedurende de afgelopen drieënhalve decennia, in contrast met een daling van 6,1 % in de VS, hoewel het Noord‑Amerikaanse land nog steeds de grootste koolstofvervuiler in de geschiedenis is.

De oorlog tussen de VS en Israël tegen Iran heeft in de eerste twee weken ongeveer 5 miljoen ton broeikasgasemissies gegenereerd. Terwijl de wereldwijde CO₂-emissies blijven stijgen, zijn de land‑ en oceaankoolstofsinks de afgelopen tien jaar met ongeveer 15 % verzwakt, volgens het Global Carbon Project. Het onderzoek vond echter dat de land‑koolstofsink, de CO₂-absorptie door planten en bodems, zich herstelt tot het niveau vóór de El Niño-sterkte na een paar uitzonderlijk zwakke jaren.

Tegelijkertijd vond een studie gepubliceerd in Nature² dat de afname van koolstofsinks ongeveer 8 % heeft bijgedragen aan de stijging van de atmosferische CO₂-concentratie sinds 1960. De opname van koolstofdioxide heeft bovendien de pH van de oceaan met 0,1 eenheden verlaagd, waardoor de zuurgraad met 30 % is toegenomen.

Dus, terwijl menselijke activiteiten meer CO₂ in de atmosfeer brengen dan natuurlijke processen kunnen verwijderen, blijft de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer toenemen en recordhoogtes bereiken, wat een dringende noodzaak schept om het probleem van CO₂-emissies aan te pakken.

Een manier om dit serieuze probleem aan te pakken is via een transitie naar hernieuwbare energie. Terwijl zonne‑, wind‑, waterkracht‑, geothermische en biomassa‑energie veelbelovende oplossingen bieden, is deze transitie een langzaam, langetermijnproces, met hoge initiële kapitaalkosten, infrastructuurbehoeften en technologische uitdagingen.

Andere benaderingen omvatten het adopteren van duurzame transportmiddelen, het verbeteren van energie‑efficiëntie, en het verwijderen van bestaande koolstof via herbebossing en landbeheer.

Dit zijn allemaal veelbelovende oplossingen, maar wat als we koolstofdioxide direct uit de omgeving kunnen opvangen en vervolgens gebruiken als grondstof? Wat als we dit belangrijkste broeikasgas kunnen omzetten in een brandstof? Dat zou een doorbraak zijn in klimaat‑ en energietechnologie, omdat het niet alleen zou helpen de opwarming van de aarde te beperken, maar ook zou voldoen aan de hoge wereldwijde energievraag.

Verschillende studies onderzoeken manieren om CO₂ om te zetten in brandstof. Dit proces is koolstofneutraal omdat de brandstoffen bij verbranding dezelfde hoeveelheid CO₂ uitstoten. Het omvat het opvangen van koolstofdioxide en het gebruik van hernieuwbare energie om het om te zetten in koolwaterstofbrandstoffen zoals methanol, diesel en benzine via chemische methoden zoals katalytische waterstofadditie of elektrochemische reductie.

Methanol valt op als een van de meest praktische en schaalbare routes voor CO₂-benutting, dankzij de compatibiliteit met bestaande infrastructuur en de veelzijdigheid in verschillende industrieën.

Methanol (CH₃OH) is een kleurloze, brandbare en zeer giftige alcohol die vrijkomt in het milieu tijdens industriële toepassingen en van nature uit microben, vegetatie en vulkanische gassen. Bij inname of absorptie veroorzaakt het ernstige gezondheidsrisico’s, waaronder blindheid, orgaanfalen of de dood.

De vloeibare chemische verbinding wordt gebruikt als antivriesmiddel, industrieel oplosmiddel en als chemische grondstof voor kunststoffen, verf, schuimen, harsen, farmaceutische producten en brandstoffen. Het dient ook als energiedrager voor de opslag van hernieuwbare elektriciteit, als additief in conventionele brandstoffen en als alternatief vloeibaar brandstof. Als een “schoner” energie‑resource drijft methanol bussen, auto’s, vrachtwagens, schepen, ketels en brandstofcellen. Het wordt ook gebruikt om dimethylether (DME) te produceren, een andere hernieuwbare brandstof.

Ondanks het potentieel ondervindt de opschaling van methanolproductie uit CO₂ nog uitdagingen, waaronder hoge energie‑eisen, beschikbaarheid van waterstof en de noodzaak voor kosteneffectieve katalysatoren. Lopend onderzoek boekt snelle vooruitgang op deze fronten.

Klik hier om te leren hoe licht kooldioxide kan hergebruiken.

Enkel‑atoominnovatie maakt efficiënte CO₂-conversie mogelijk

In order to produce methanol from carbon dioxide and hydrogen, researchers from ETH Zurich have made an advance in catalyst research.

Catalysts have been in use since ancient times. For instance, the yeast used to make bread contains natural catalysts (enzymes) that help convert flour into bread. Over time, advances in catalysts have led to biodegradable plastics, new pharmaceuticals, and environmentally safer fuels.

Een katalysator is een stof die helpt reacties gemakkelijker en efficiënter te laten verlopen. Deze “reactiehulpjes” versnellen een chemische reactie of verlagen de druk of temperatuur die nodig is om er één te starten, zonder zelf verbruikt te worden tijdens de reactie.

Chemische reacties vereisen energie om te starten omdat de bindingen tussen atomen in moleculen herschikt moeten worden. De energiedrempel kan klein zijn, zoals het aansteken van een lucifer, of veel hoger bij industriële processen, wat de kosten opdrijft. Katalysatoren helpen deze drempel te verlagen, waarbij de meest effectieve vaak metalen bevatten, inclusief zeldzame en dure.

De door ETH Zürich‑chemici behaalde doorbraak heeft geleid tot de ontwikkeling van een katalysator die de minimale energie die nodig is om methanol uit CO₂ en waterstof te produceren aanzienlijk verlaagt. De onderzoekers bereikten een extreem efficiënte inzet van indium, zodat elk indiumatoom fungeert als een eigen actieve site.

In tegenstelling tot de vroegere trial‑and‑error‑benadering van katalyse‑onderzoek, maakt de nieuw ontdekte katalysator meer precieze analyse en begrip van de reacties op het oppervlak mogelijk, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor meer geoptimaliseerd en rationeel katalysatorontwerp.

“Onze nieuwe katalysator heeft een enkel‑atoomarchitectuur, waarbij geïsoleerde actieve metaalatomen verankerd zijn op het oppervlak van een speciaal ontwikkeld dragersmateriaal.”

– Pérez‑Ramírez, de directeur van het National Centre of Competence in Research (NCCR) Catalysis

While the newly discovered catalyst is single-atom, traditional catalysts contain metals as aggregates. These particles are very small, but they usually contain hundreds to thousands of metal atoms. Many of these atoms do not even have any direct involvement in the reaction. But if these atoms can work at the individual level, they can be far more efficient as scientists can make better use of scarce and expensive chemical elements, thus allowing for economically viable use of precious metals.

Ook verschillen de katalytische eigenschappen van geïsoleerde atomen van die van aggregaten.

“Indium wordt al meer dan een decennium in deze katalysator gebruikt,” merkte Pérez‑Ramírez op, die al meer dan tien jaar werkt aan betere katalysatoren voor CO₂-gebaseerde methanolproductie en verschillende patenten in het veld bezit. “In onze studie tonen we aan dat geïsoleerde indiumatomen op hafnium‑oxide een efficiëntere CO₂-gebaseerde methanolsynthese mogelijk maken dan indium in de vorm van nanodeeltjes met een groot aantal atomen.”

Indium (In) is een zilver‑wit metaal waarvan de toevoer voornamelijk afhankelijk is van de zinkmijnindustrie, waarbij indium een klein bijproduct is. China (40 %) is de grootste producent van indium en controleert het merendeel van de wereldwijde indiumreserves. Het metaal wordt veel gebruikt in indium‑tin‑oxide‑lagen, legeringen en halfgeleider‑materialen die nodig zijn voor PV‑cellen, soldeer, vlakke panelen, LED’s, thermische interface‑materialen en batterijen.

Om enkel‑indiumatomen precies op het oppervlak van hafnium‑oxide te plaatsen, ontwikkelde het team verschillende nieuwe synthese‑routes. Een belangrijk onderdeel van dit werk, uitgevoerd in samenwerking met andere onderzoeksinstellingen, was het ontwerpen van het dragersmateriaal om een stabiele maar reactieve omgeving voor de atomen te bieden.

Een route omvatte het verbranden van de uitgangsmaterialen in een vlam van 2.000 tot 3.000 °C voordat ze snel werden afgekoeld. Dit houdt het indium op het oppervlak en zorgt voor een stevige incorporatie.

De inbedding van katalysatoratomen in hitte‑bestendig hafnium‑oxide toonde aan dat enkel‑atoomkatalysatoren extreme omstandigheden kunnen weerstaan, inclusief hoge temperaturen en drukken. Deze duurzaamheid is belangrijk omdat de synthese van methanol uit CO₂ en waterstofgas temperaturen tot 300 °C en drukken van ongeveer 50 keer de normale atmosferische druk vereist.

“Nanogestructureerde indium‑hafnium‑oxiden gesynthetiseerd via flame‑spray‑pyrolyse bereiken tot 70 % hogere indium‑specifieke methanolproductiviteit dan indium‑zirconium‑oxiden, met de grootste winst voor enkel‑atomen van indium,” stelde de studie.

Another benefit of isolated-atom catalysts is that scientists can analyze reaction mechanisms with far fewer interfering signals, thus providing clearer insights. Existing catalysts made of nanoparticles have been rather difficult to study. They have essentially been a black box. While reactions only occur at a small number of atoms on the surface, many measurement signals come from atoms inside the particles that weren’t involved in the reaction, making it harder to interpret what’s happening.

“De ontwikkeling van de methanolkatalysator en de gedetailleerde analyse van het mechanisme zou niet mogelijk zijn geweest zonder deze interdisciplinaire expertise.”

– Pérez‑Ramírez

Investeren in koolstofrecycling

Celanese Corporation (CE ) is een wereldwijd chemisch en gespecialiseerd materialenbedrijf dat engineered polymeren produceert. De belangrijkste bedrijfssegmenten omvatten Engineered Materials en de Acetyl Chain.

Opmerkelijk is dat het bedrijf direct betrokken is bij de omzetting van CO₂ naar methanol. Via Fairway Methanol, een joint venture met Japan’s Mitsui & Co., zal Celanese ongeveer 180.000 ton CO₂ per jaar opvangen en 130.000 ton laag‑koolstof‑methanol per jaar produceren.

Recentelijk heeft het bedrijf de Carbon Footprint Certification (CFC) behaald voor zijn Hostaform‑ en Celcon‑POM‑ECO‑C‑graden op de productielocaties in Frankfurt en Texas, als gevolg van Celanese’s investering in Carbon Capture and Utilization (CCU)‑technologie om fossiele inputs te verminderen zonder de materiaaleigenschappen negatief te beïnvloeden.

Met een marktkapitalisatie van $7 miljard worden de aandelen van Celanese momenteel verhandeld tegen $62,47, een stijging van 48 % YTD. De aandelen van het bedrijf hebben de afgelopen twee jaar een neerwaartse trend laten zien nadat ze begin 2024 de $170‑drempel overschreden, daalden tot ongeveer $35 eind vorig jaar, en nu weer een hernieuwde dynamiek vertonen.

Het heeft een EPS (TTM) van -10,40 en een P/E (TTM) van -6,02. Celanese betaalt een dividendrendement van 0,19 %.

Wat de financiële cijfers betreft, rapporteerde het een daling van 7 % in de nettowinst tot $9,5 miljard voor het volledige jaar 2025, als gevolg van een daling van 4 % in zowel prijs als volume. Het operationele verlies bedroeg $786 miljoen, terwijl de GAAP‑verdunde verlies per aandeel $10,44 was, en de aangepaste winst per aandeel $3,98.

Celanese meldde een lagere dan normale vraag in belangrijke eindmarkten zoals verf, coatings, automotive en bouw, maar bleef gericht op het verhogen van de cash‑flow om kosten te verbeteren, de schuldenlast te verlagen en de omzetgroei te stimuleren.

“Onze volledige‑jaarprestaties tonen de kracht van onze actieplannen en gedisciplineerde uitvoering in een uitdagende omgeving.”

– CEO Scott Richardson

In 2025 genereerde het bedrijf een operationele cash‑flow van $1,1 miljard en rapporteerde een vrije cash‑flow van $773 miljoen.

Deze cash‑flowgeneratie, gecombineerd met meer dan $120 miljoen aan kostenreducties, de afronding van de Micromax‑divestering, herfinanciering van kortetermijn‑verplichtingen, en de introductie van programma’s om groei te stimuleren en de EM‑pipeline te verrijken, hielp het bedrijf “aanzienlijke vooruitgang te boeken tegen onze prioriteiten van deleveraging, kostenverbetering en omzetgroei,” aldus Richardson. Voor het laatste kwartaal rapporteerde Celanese een nettowinst van $2,2 miljard, een operationele winst van $93 miljoen, en een aangepaste winst per aandeel van $0,67.

Wat betreft het huidige kwartaal verwacht het bedrijf weinig verandering in de vraag, maar anticipeert op bescheiden seizoensverbeteringen in volumes, waardoor de aangepaste winst per aandeel voor het eerste kwartaal naar verwachting $0,70 tot $0,85 zal bedragen.

“We verwachten opnieuw een sterk jaar van kasgeneratie met een beoogde vrije kasstroom van $650 tot $750 miljoen. Hoewel de macro‑omgeving onzeker blijft, hebben we vooruitgang gecreëerd. We geloven dat de beslissende acties die we nemen Celanese in staat stellen aanzienlijk te profiteren van het uiteindelijke herstel.”

– Richardson

Laatste Celanese Corporation (CE) aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Conclusie

Het omzetten van koolstofdioxide in brandstof vertegenwoordigt een aanzienlijke kans om een klimaatuitdaging om te zetten in een economisch goed. En met innovaties zoals enkel‑atoomkatalysatoren die de efficiëntie dramatisch verbeteren, wordt de route naar methanolproductie uit CO₂ steeds haalbaarder. Maar uiteraard zal het opschalen van deze oplossing een overvloed aan hernieuwbare energie, kosteneffectieve waterstofproductie en ondersteunende beleidskaders vereisen. Zodra al deze factoren op één lijn liggen, heeft CO₂ het potentieel om van een van ’s werelds grootste milieuproblemen te veranderen in een van haar belangrijkste hulpbronnen.

Referenties

1. Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Xu, L., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D., Bao, X. & Li, C. Enkele indiumatomen maken efficiënte CO₂-waterstofadditie naar methanol mogelijk. Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O’Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, I.T., Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, R.M., Bakker, D.C.E., Canadell, J.G., Ciais, P., Gasser, T., Jones, M.W., Lan, X., Morgan, E., Olsen, A., Peters, G.P., Peters, W., Sitch, S. & Tian, H. Opkomende klimaatinvloed op koolstofsinks in een geconsolideerde koolstofbalans. Nature 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5