Door nikkel nanodeeltjes in een beschermend schild van poreus silica te wikkelen, A*STAR-onderzoekers hebben een zeer actieve en robuuste katalysator ontwikkeld die kan helpen bij de productie van methaan uit biomassa.

Biomassa is een potentieel koolstofneutrale grondstof om brandstoffen of andere nuttige chemicaliën te maken. Door een proces dat vergassing wordt genoemd, biomassa wordt omgezet in een mengsel, bekend als syngas, bestaande uit koolmonoxide, kooldioxide en waterstof. Syngas kan worden omgezet in een reeks andere chemicaliën, inclusief methaan, die kan worden gebruikt als transportbrandstof of stadsgas, of verbrand om elektriciteit op te wekken.

Verschillende katalysatoren zetten syngas om in methaan. Nikkel is een van de meest voorkomende, vanwege de hoge activiteit en matige kosten, en het wordt typisch gedragen op een ander materiaal zoals aluminiumoxide of silica. Maar de katalysator kan gedeactiveerd worden tijdens deze methaniseringsreactie bij hoge temperatuur, ofwel door een ophoping van koolstof, cokesvorming genaamd, of door een proces dat sinteren wordt genoemd, waarbij katalysatordeeltjes samenklonteren. Bovendien, eventuele sporen van zwavelverbindingen in het syngas kunnen de katalytische activiteit van nikkel zeer snel uitschakelen, dus syngas moet door een duur reinigingsproces gaan om zwavel te verwijderen vóór methanisering.

Luwei Chen van het A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences en collega's hebben nu nikkelnanodeeltjes ingebed in poreus silica, waardoor gassen toegang krijgen tot de katalysator, maar voorkomt de problemen die deactivering veroorzaken.

Ze bereidden de katalysator door deeltjes nikkelhydroxide te mengen met tetraethylorthosilicaat. Na verdere verwerking, ze activeerden het nikkel door het te laten reageren met waterstof bij 600 graden Celsius, het vormen van deeltjes die ongeveer 40 gewichtsprocent nikkel bevatten. De onderzoekers testten hun katalysator met syngas afkomstig van een vergassingsproces, en met een gesimuleerd syngas, die beide zwavel bevatten. Met behulp van technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie, Röntgendiffractie en thermische gravimetrische analyse, ze ontdekten dat de katalysator tijdens de reactie heel weinig sintering of verkooksing ondervond, in tegenstelling tot een commerciële katalysator die werd getest met dezelfde syngasmonsters. "Poreus silica beschermt door elk deeltje te isoleren, om sinteren te voorkomen, " zegt Chen.

De nikkel-silica-katalysator was ook drie keer zo lang bestand tegen zwavelverontreinigingen als zijn commerciële rivaal voordat hij werd gedeactiveerd. Het op deze manier verbeteren van de zwavelbestendigheid van de katalysator kan leiden tot aanzienlijke kostenbesparingen in het syngasreinigingsproces. De onderzoekers werken nu samen met IHI, een Japans ingenieursbureau, om hun synthese van de katalysator op te schalen, en het methaniseringsproces.