“Dit is de eerste keer dat ik denk dat een grootschalige praktische toepassing van ons onderzoek in het verschiet ligt”, zegt Leo Jenneskens enthousiast. De Utrechtse hoogleraar fysisch organische chemie heeft het over ijzer-nanodeeltjes die in koolstof bolletjes verpakt zijn. Die zouden op verschillende manieren water kunnen zuiveren, afhankelijk van de manier waarop je ze maakt. Jenneskens: “Ik zie het voor me als een soort winkel. Wil je resten van geneesmiddelen uit water verwijderen, dan bestel je het ene potje. Een andere is geschikt vetten uit afvalwater te halen.” Het  verschil tussen de potjes zit in de samenstelling van het koolstof en de grootte van de poriën van het materiaal.

Elektroden
Jacco Hoekstra deed als promovendus in de groep van Jenneskens onderzoek aan koolstofmaterialen voor elektroden voor de vorming van H₂O₂. Al gauw bleek dat het gebruik van een metaal zoals ijzer bij het maken van de elektroden geweldig helpt. IJzer zorgt namelijk voor de vorming van geleidend grafiet. Dat is gunstig als elektrodemateriaal. "De elektroden bleken niet efficiënt genoeg, maar we het leverde ons wel een mooie, eenvoudige methode op om kooldeeltjes te maken met fijn verdeelde ijzernanodeeltjes erin”, vertelt Hoekstra.
Voor het maken van ijzer-koolbolletjes gebruiken de onderzoekers cellulosebolletjes die ze impregneren met bijvoorbeeld ijzercitraat – cellulose is een goedkoop en natuurlijk afvalproduct. Daarna pyrolyseren ze de bolletjes waarbij cellulose ontleedt tot amorf koolstof. Vervolgens vormt zich ijzeroxide. De koolstof reduceert het oxide tot ijzerdeeltjes van 20-50 nm groot. Het ijzer zorgt er tot slot voor dat amorf koolstof deels omgezet wordt in grafiet. Het resultaat is een bolletje koolstof waarin nanodeeltjes ijzer verpakt zitten.
De koolstof-drager zorgt voor een hogere stabiliteit van de ijzer-nanodeeltjes. De poriegrootte van het materiaal is instelbaar, evenals het gehalte aan grafiet. “Al deze eigenschappen hebben invloed op de toepassing”, legt Hoekstra uit. Grafiet is namelijk een veel beter gedefiniëerd materiaal dan amorfe koolstof. Het is daardoor zeer hydrofoob, in tegenstelling tot amorfe kool. Bovendien zorgt grafiet voor grotere poriën. Met te kleine poriën zijn de ijzerdeeltjes minder toegankelijk voor de zware metalen, waardoor die niet gereduceerd kunnen worden. “Het ene deeltje is zo meer geschikt voor het verwijderen van metalen uit water, het andere voor het verwijderen van apolaire organische resten.”
Het onderzoeksbedrijf Geochem huurde Hoekstra na zijn promotie in als zelfstandig onderzoeker om de toepassing van de ijzer-koolbolletjes voor waterzuivering te bestuderen. Met hulp van een KIEM-subsidie van NWO bewees hij dat de bolletjes zware metalen uit water kunnen halen. IJzer staat makkelijker elektronen af dan edeler metalen zoals koper, kobalt of nikkel. Wanneer zich ionen van deze metalen in afvalwater bevinden zal ijzer dus in oplossing gaan en het edele metaal neerslaan. De overgebleven ijzeroplossing is onschadelijk en kun je gewoon afvoeren.
Een andere toepassing is de zuivering van bodemas van verbrandingsinstallaties. Die bevat tonnen koper. Waardevol, maar giftig. Zolang er koper in zit, mag bodemas niet zomaar gestort worden of gebruikt worden in asfalt. Met de ijzer-koolbolletjes zou dit koper teruggewonnen kunnen worden.

Uniek materiaal
Samen met chemiebedrijf BASF in De Meern hebben de Utrechtse onderzoekers diverse patenten op de ijzer-koolbolletjes en voor anderen loopt de aanvraag nog. “Het zijn unieke materialen”, zegt Peter Berben van BASF. “Zowel het feit dat er metallisch ijzer in de deeltjes zit, als het feit dat het deeltje niet alleen uit amorfe kool maar ook uit grafiet bestaat.” BASF onderzoekt naast de waterzuivering ook de mogelijkheid om de deeltjes toe te passen in bijvoorbeeld MRI. De productie moet nu worden opgeschaald naar kiloschaal, zegt Berben. “Bovendien moeten we misschien nog sleutelen aan de eigenschappen van het materiaal voor waterzuivering.”

Dit artikel is gepubliceerd in C2W8, 8 mei 2015.