Terwijl we werken aan meer duurzame manieren om onze levensstijl aan te drijven, er is een zoektocht om de kloof te overbruggen tussen de koolstofdioxide-uitstotende fossiele brandstoffen waarop we vertrouwen voor onze meest elementaire behoeften, en de schoonmaker, maar nog niet economisch haalbare alternatieve technologieën.

Daartoe, een groep bij UC Santa Barbara heeft methoden onderzocht waarmee het huidige goedkope en overvloedige methaan (CH4) kan worden gereduceerd tot schoon brandende waterstof (H2), terwijl ook de vorming van koolstofdioxide (CO2) wordt voorkomen, een broeikasgas. zijn rapport, "Katalytische gesmolten metalen voor de directe omzetting van methaan in waterstof en scheidbare koolstof, " verschijnt in het journaal Wetenschap .

"In de VS, methaan zal vier of vijf decennia het hart van onze economie zijn, en manieren bedenken om het duurzamer te gebruiken, is wat ons motiveert, "Zei UCSB-professor chemische technologie Eric McFarland. "Dit artikel was een interessante invalshoek op iets waar we al heel lang naar kijken."

Een product van zowel natuurlijke als door de mens gemaakte processen, methaan, het primaire bestanddeel van aardgas, is een belangrijke brandstofbron voor koken, verwarming en voeding van onze huizen en wordt gebruikt in productie en transport. Als afvalproduct dat een krachtiger broeikasgas is dan koolstofdioxide, het is het doelwit van vele inspanningen om dergelijke emissies af te vangen en te verminderen.

Steam-methaanreforming (SMR) wordt al tientallen jaren op de markt gebracht en is het meest gebruikelijke proces voor het produceren van commerciële waterstof. Echter, de onderzoekers wijzen erop, SMR verbruikt aanzienlijke hoeveelheden energie en produceert noodzakelijkerwijs koolstofdioxide, die meestal in de atmosfeer terechtkomt. Toen het proces werd ingevoerd, CO2 werd niet als een probleem beschouwd. Maar naarmate we ons bewuster werden van broeikasgassen, het is uitgegroeid tot een wereldwijd concern. De kosten van het uitvoeren van het SMR-proces, en de mogelijke extra kosten van koolstofbelastingen en koolstofvastlegging, brengt de waterstofproductie door SMR in gevaar voor aanzienlijke kostenstijgingen, vooral bij kleinere operaties die de waterstof kunnen leveren die nodig is voor brandstofcelvoertuigen.

Het UCSB-team omvat een langdurige samenwerking op het gebied van katalytische benaderingen van aardgasconversie tussen theoretisch chemicus en professor Horia Metiu en McFarland. Samen met professor scheikundige technologie Michael Gordon, ze begonnen het gebruik van gesmolten metalen en gesmolten zouten te onderzoeken als interessante en onontgonnen katalytische systemen. Metiu's theoretische werk suggereerde dat verschillende combinaties van metalen in gesmolten legeringen een verhoogde katalytische activiteit zouden kunnen opleveren voor het omzetten van methaan in waterstof en vaste koolstof. De onderzoekers hebben een eenstapsmethode ontwikkeld waarmee methaan kan worden omgezet in waterstof, wat niet alleen eenvoudiger en mogelijk goedkoper is dan conventionele SMR-methoden, en resulteert in een vaste vorm van koolstof die gemakkelijk voor onbepaalde tijd kan worden getransporteerd en opgeslagen.

"Je brengt een bel van methaangas in de bodem van een reactor gevuld met dit katalytisch actieve gesmolten metaal, " legde McFarland uit. "Als de luchtbel stijgt, de methaanmoleculen raken de wand van de bel en ze reageren om koolstof en waterstof te vormen."

Eventueel, hij ging verder, tegen de tijd dat de methaanbel het oppervlak bereikt, het is afgebroken tot waterstofgas, die bovenin de reactor vrijkomt; vaste koolstofdeeltjes die naar de bovenkant van het vloeibare metaal drijven, kunnen dan worden afgeroomd. Vergeleken met conventionele methoden die gebaseerd zijn op reacties die plaatsvinden op vaste oppervlakken, de oppervlakken van gesmolten metaallegeringen worden niet gedeactiveerd door de ophoping van koolstof en kunnen voor onbepaalde tijd worden hergebruikt. Door de combinatie van een actief vloeibaar metaal en zijn oplosbaarheid in waterstof kan de smelt relatief meer waterstof en koolstof opnemen dan in de gasbellen aanwezig kan zijn. Hierdoor kan het proces efficiënt zijn met methaan onder zeer hoge druk om waterstof onder hoge druk te produceren.

"Je staat jezelf echt toe om alle producten weg te trekken van de reactanten en dat zorgt ervoor dat het evenwicht naar de producten verschuift. Het proces kan in principe onder hoge druk werken en toch een zeer hoge methaanconversie krijgen, ' zei Mc Farland.

Het ecosysteem voor het inzetten van dit soort technologie bestaat al, gezien de bestaande infrastructuur voor de verwerking van koolwaterstoffen zoals steenkool en aardgas, de huidige overvloed aan methaan, en inspanningen van wetgeving en industrie om het opvangen van vluchtige emissies aan te scherpen, volgens McFarland. Het onderzoek heeft de aandacht en steun gekregen van Royal Dutch Shell, hij voegde toe. De elektriciteit die wordt geproduceerd uit waterstof die wordt verkregen door dit koolstofdioxidevrije proces, zou goedkoper zijn dan de huidige tarieven voor zonne-energie, die, terwijl het uiteindelijk duurzamer is, is tegenwoordig niet kostenconcurrerend met fossiele brandstoffen.

"Als de hele wereld rijk is, dan zouden wind en zon voldoende goedkoop zijn om op grote schaal te worden ingezet, maar het is niet goedkoop genoeg voor de wereld die we vandaag hebben, " zei McFarland. Vanuit het oogpunt van emissies, hij ging verder, het is vooral belangrijk om goedkope, emissiearme technologieën in plaatsen zoals China, momenteel de grootste uitstoter van broeikasgassen ter wereld. Indië en Afrika, die een enorm en groeiend koolwaterstofverbruik hebben, zou ook profiteren van dergelijke technologie; ze zijn nog niet rijk genoeg om de luxe van zonnepanelen te hebben.