Krediet: Pixabay/CC0 Publiek domein
Een paar onderzoekers van de University of Central Florida hebben nieuwe methoden ontwikkeld om energie en materialen te produceren uit het schadelijke broeikasgas methaan.
Pond voor pond is de relatieve impact van methaan op de aardatmosfeer 28 keer groter dan die van kooldioxide – een ander belangrijk broeikasgas – over een periode van 100 jaar, volgens het Amerikaanse Environmental Protection Agency.
Dit komt omdat methaan efficiënter is in het vangen van straling, ondanks dat het een kortere levensduur in de atmosfeer heeft dan koolstofdioxide.
Belangrijke bronnen van methaanemissies zijn energie en industrie, landbouw en stortplaatsen.
De nieuwe UCF-innovaties maken het mogelijk om methaan te gebruiken bij de productie van groene energie en om hoogwaardige materialen te creëren voor slimme apparaten, biotechnologie, zonnecellen en meer.
De uitvindingen zijn afkomstig van nanotechnoloog Laurene Tetard en katalyse-expert Richard Blair, die de afgelopen 10 jaar onderzoeksmedewerkers zijn geweest bij UCF.
Tetard is een universitair hoofddocent en universitair hoofddocent van UCF’s Department of Physics en een onderzoeker bij het NanoScience Technology Center, en Blair is een onderzoeksprofessor aan het Florida Space Institute van UCF.
Een betere, schonere technologie om waterstof te produceren
De eerste uitvinding is een methode om waterstof te produceren uit koolwaterstoffen, zoals methaan, zonder dat daarbij koolstofgas vrijkomt.
Door gebruik te maken van zichtbaar licht, zoals een laser, lamp of zonnebron, en defect-ontworpen boorrijke fotokatalysatoren, benadrukt de innovatie een nieuwe functionaliteit van materialen op nanoschaal voor zichtbaar licht-geassisteerde opname en de omzetting van koolwaterstoffen zoals methaan. Defect engineering verwijst naar het creëren van onregelmatig gestructureerde materialen.
De UCF-uitvinding produceert waterstof die vrij is van verontreinigingen, zoals hogere polyaromatische verbindingen, kooldioxide of koolmonoxide, die gebruikelijk zijn bij reacties die worden uitgevoerd bij hogere temperaturen op conventionele katalysatoren.
De ontwikkeling kan mogelijk de kosten verlagen van katalysatoren die worden gebruikt voor het opwekken van energie, meer fotokatalytische conversie in het zichtbare bereik mogelijk maken en een efficiënter gebruik van zonne-energie voor katalyse mogelijk maken.
Markttoepassingen zijn mogelijke grootschalige productie van waterstof in zonneparken en het afvangen en omzetten van methaan.
“Die uitvinding is eigenlijk een twofer”, zegt Blair. “Je krijgt groene waterstof en je verwijdert – niet echt sekwestreert – methaan. Je verwerkt methaan tot alleen waterstof en pure koolstof die kan worden gebruikt voor zaken als batterijen.”
Hij zegt dat traditionele waterstofproductie gebruik maakt van hoge temperaturen met methaan en water, maar naast waterstof genereert dat proces ook koolstofdioxide.
“Ons proces neemt een broeikasgas, methaan en zet het om in iets dat geen broeikasgas is en twee dingen die waardevolle producten zijn, waterstof en koolstof”, zegt Blair. “En we hebben methaan uit de cyclus verwijderd.”
Hij merkte op dat ze in het Exolith Lab van UCF waterstof konden genereren uit methaangas met behulp van zonlicht door het systeem op een grote zonneconcentrator te plaatsen.
Dit wetende, zegt hij dat landen die niet over overvloedige energiebronnen beschikken, de uitvinding zouden kunnen gebruiken, aangezien ze alleen methaan en zonlicht nodig hebben.
Naast olie- en aardgassystemen komt methaan voor op stortplaatsen, industriële en agrarische gebieden en afvalwaterzuiveringsinstallaties.
Het kweken van verontreinigingsvrije koolstof nano-/microstructuren
Deze door Tetard en Blair ontwikkelde technologie is een methode om structuren op koolstofnano- en microschaal met gecontroleerde afmetingen te produceren. Het gebruikt licht en een door defecten ontworpen fotokatalysator om van een patroon voorziene, goed gedefinieerde structuren op nano- en microschaal te maken uit talrijke koolstofbronnen. Voorbeelden zijn methaan, ethaan, propaan, propeen en koolmonoxide.
“Het is alsof je een koolstof 3D-printer hebt in plaats van een polymeer 3D-printer”, zegt Tetard. “Als we zo’n tool hebben, dan zijn er misschien zelfs enkele koolstofsteigerontwerpen die we vandaag kunnen bedenken.”
Blair zegt dat het de droom is om hoogwaardige koolstofmaterialen te maken van methaan, wat momenteel niet erg goed wordt gedaan, zegt hij.
“Dus deze uitvinding zou een manier zijn om dergelijke materialen op een duurzame manier op grote industriële schaal uit methaan te maken”, zegt Blair.
De geproduceerde koolstofstructuren zijn klein maar goed gestructureerd en kunnen nauwkeurig worden gerangschikt, met precieze maten en patronen.
“Nu heb je het over dure toepassingen, misschien voor medische apparaten of nieuwe chemische sensoren”, zegt Blair. “Dit wordt een platform voor het ontwikkelen van allerlei producten. De toepassing wordt alleen beperkt door de verbeelding.”
Omdat het groeiproces op verschillende golflengten kan worden afgestemd, kunnen ontwerpmethoden verschillende lasers of zonneverlichting bevatten.
Het laboratorium van Tetard, dat op nanoschaal werkt, probeert nu de grootte te verkleinen.
“We proberen een manier te bedenken om van het proces te leren en te zien hoe we het zelfs op kleinere schaal kunnen laten werken – het licht in een klein volume regelen”, zegt ze.
“Op dit moment is de grootte van de structuren microschaal, omdat het lichtfocusvolume dat we creëren microgrootte is”, zegt ze. “Dus als we het licht in een klein volume kunnen beheersen, kunnen we misschien objecten van nanoformaat laten groeien voor nanostructuren met patronen die duizend keer kleiner zijn. Dat is iets dat we in de toekomst willen implementeren. En dan, als dat mogelijk wordt, daar kunnen we veel mee.”
Een betere, schonere technologie om koolstof te produceren
De betere, schonere technologie van de onderzoekers voor het produceren van waterstof was eigenlijk geïnspireerd door een eerdere innovatieve methode van hen die koolstof maakt van door defecten ontworpen boornitride met behulp van zichtbaar licht.
Ze ontdekten een nieuwe manier om koolstof en waterstof te produceren door middel van chemisch kraken van koolwaterstoffen met energie die wordt geleverd door zichtbaar licht, gekoppeld aan een metaalvrije katalysator, defect-ontworpen boornitride.
In vergelijking met andere methoden is het beter omdat er geen aanzienlijke energie, tijd of speciale reagentia of voorlopers voor nodig zijn die onzuiverheden achterlaten.
Het enige dat overblijft is koolstof en enkele sporen van boor en stikstof, die geen van allen giftig zijn voor mens of milieu.
De fotochemische transformatietechnologie leent zich voor vele toepassingen, waaronder sensoren of nieuwe componenten voor nano-elektronica, energieopslag, kwantumapparaten en groene waterstofproductie.
Sterke samenwerking
Als langdurige onderzoeksmedewerkers zijn Tetard en Blair maar al te bekend met het oude gezegde: “Als het je in het begin niet lukt, probeer het dan opnieuw.”
“Het duurde een tijdje om echt opwindende resultaten te krijgen”, zegt Tetard. “In het begin werkte veel van de karakterisering die we probeerden te doen niet zoals we wilden. We gingen zo vaak zitten om raadselachtige observaties te bespreken.”
Toch ploegden ze vooruit en hun doorzettingsvermogen werd beloond met hun nieuwe uitvindingen.
“Richard heeft een miljoen verschillende ideeën om problemen op te lossen”, zegt Tetard. “Dus uiteindelijk zouden we iets vinden dat werkt.”
Zij en Blair bundelden hun krachten kort nadat ze elkaar in 2013 hadden ontmoet op de natuurkundeafdeling van UCF. Blair had zojuist katalytische eigenschappen ontdekt in de chemische verbinding boornitride die “ongehoord” waren en wilde de informatie publiceren en meer onderzoek doen.
Hij had een medewerker voor theoretische modellering, Talat Rahman, een vooraanstaande Pegasus-professor bij de afdeling natuurkunde, maar hij had iemand nodig om de bevindingen te karakteriseren.
“Op karakteriseringsniveau ligt daar niet mijn kracht”, zegt hij. “Ik heb sterke punten die de sterke punten van Laurene aanvullen. Het was logisch om te kijken of we samen iets konden doen en of ze wat inzicht kon toevoegen aan wat we zagen.”
Dus hoopten ze, in samenwerking met Rahman en de Amerikaanse National Science Foundation, een moleculair begrip te krijgen van de katalytische eigenschappen van met defecten beladen, hexagonaal (kristalgestructureerd) boornitride, een metaalvrije katalysator.
Typische katalysatoren bestaan ​​vaak uit metalen en boornitride, ook wel “wit grafiet” genoemd, heeft vanwege zijn gladde eigenschappen veel industriële toepassingen gehad, maar niet voor katalyse.
“Totdat we erbij kwamen, werd dat soort boornitride als gewoon inert beschouwd”, zegt Blair. “Misschien een smeermiddel, misschien voor cosmetica. Maar het had geen chemisch nut. Met defect-engineering ontdekte het onderzoeksteam echter dat de verbinding een groot potentieel had voor de productie van koolstof en groene waterstof, mogelijk in grote hoeveelheden.”
De technologie die het team ontwikkelde om met behulp van zichtbaar licht koolstof te maken uit defect-ontworpen boornitride, kwam onverwacht.
Blair zegt dat om het oppervlak van de katalysator te analyseren, ze het in een kleine container zouden plaatsen, het onder druk zouden zetten met een koolwaterstofgas, zoals propeen, en het vervolgens zouden blootstellen aan laserlicht.
“Elke keer deed het twee dingen die frustrerend waren”, zegt hij. “De katalysator zelf straalde licht uit dat alle gegevens verduisterde die we nodig hadden, en de student bleef maar zeggen: ‘het wordt verbrand’ en ik zou zeggen dat dat onmogelijk is. Er zit geen koolstof op de katalysator.”
“En er was geen zuurstof”, voegt Tetard toe. Ze waren stomverbaasd.
“Als we die brandende plek wilden bestuderen, moest hij groter zijn”, zegt ze.
Zodra ze erin slaagden een groter monster te produceren, legden ze het onder de elektronenmicroscoop.
“We begonnen wat lijnen te zien, maar het is een losse, rommelige poeder, dus het zou niet besteld moeten worden,” zei Tetard. “Maar toen we wat meer inzoomden, zagen we wat koolstof en heel veel, met het defect-ontworpen boornitridepoeder dat zich eraan vastklampte.”
Wat als een probleem werd gezien, was eigenlijk toevallig, omdat de ontdekking de productie van waterstof bij lage temperaturen en de productie van koolstof als bijproduct mogelijk zou maken zonder dat er broeikasgassen of verontreinigende stoffen vrijkomen.
Aangeboden door de Universiteit van Centraal-Florida