Een multidisciplinaire samenwerking, ontwikkeld tussen onderzoekers van het Penn State EMS Energy Institute en een in Pittsburgh gevestigd start-upbedrijf, kan het antwoord zijn op het verminderen van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen en tegelijkertijd de weg vrijmaken om de chemische en materiaalindustrieën te ontwrichten.

sinds 2015 Randy Vander Wal, hoogleraar energie en minerale techniek en materiaalkunde en techniek, en aangesloten bij het EMS Energy Institute, heeft met H Quest Vanguard samengewerkt aan een groeiend aantal projecten waarbij de plasmatechnologie van het bedrijf wordt gebruikt om potentiële nieuwe, niet-emissieve toepassingen van kolen en aardgas.

"De unieke mogelijkheden van het materiaalkarakteriseringslaboratorium van Penn State bieden onschatbare inzichten in de eigenschappen van de plasmageproduceerde materialen van H Quest en zijn cruciaal voor het tot stand brengen van een product dat geschikt is voor commercialisering, " zei George Skoptsov, H Quest CEO.

De samenwerking heeft geresulteerd in vijf onderzoeksprojecten die tot doel hebben kolen en aardgas in de 21e eeuw opnieuw uit te vinden als schoon, kosteneffectieve bronnen van brandstoffen en hoogwaardige materialen.

De uitstoot van broeikasgassen verminderen

Hoewel het klimaat op aarde door de geschiedenis heen is veranderd, de huidige wetenschappelijke consensus is dat de huidige opwarming van de aarde waarschijnlijk het resultaat is van menselijke activiteit, namelijk de uitstoot van broeikasgassen door verbranding van fossiele brandstoffen.

Overschakelen op schonere brandstoffen wordt erkend als een belangrijk onderdeel bij het terugdringen van deze emissies. Waterstof, vooral, is een veelbelovende energiedrager omdat het bij verbranding alleen water produceert en geen kooldioxide. Maar waterstof is zeer zeldzaam in zijn pure moleculaire vorm. Het is overvloedig, echter, in de vorm van water - 11% waterstof per massa - en methaan, een hoofdbestanddeel van aardgas - 25% waterstof per massa. In feite, volgens het Amerikaanse ministerie van Energie, momenteel wordt 95% van de waterstof voor brandstof in de VS gewonnen uit aardgas.

Het meest gebruikte industriële proces voor de productie van waterstof - stoom-methaanreforming - verwarmt methaan uit aardgas met behulp van stoom om koolmonoxide en waterstof te produceren. Helaas, dit proces heeft een grote uitstoot van broeikasgassen en verbruikt grote hoeveelheden water.

Thermische ontleding van methaan verwarmt aardgas tot meer dan 2, 000 graden Fahrenheit, die de koolwaterstofmoleculen kraakt, waterstof als gas extraheren en de vaste koolstof achterlaten. Het introduceren van katalysatoren bij dit proces kan de vereiste temperatuur verlagen, maar introduceert het probleem van het scheiden van de vaste koolstof van de katalysatoroppervlakken. Algemeen, vanwege beperkingen in verband met verwarming, dit proces blijft een kostbare, energie intensief, en broeikasgasemissieproces.

De microgolfplasmatechnologie van H Quest katalyseert reacties op een nieuwe manier en maakt zeer snelle-1, 000 graden Fahrenheit per seconde - verwarming van gas, wat niet mogelijk is met conventionele verwarmingstechnologieën zoals ketels, ovens, warmtewisselaars, of inductieve kachels.

Omdat hernieuwbare elektriciteit microgolven kan aandrijven, en bij de afbraak van methaan wordt geen zuurstof gebruikt, het winnen van waterstof uit aardgas met behulp van microgolfplasmatechnologie kan volledig vrij zijn van uitstoot van broeikasgassen. In aanvulling, microgolfplasmatechnologie maakt modulaire, kleinschalig, weinig kapitaal inzetten van chemische conversie-installaties, de chemische industrie efficiënter maken, effectief, flexibel en competitief.

In een onlangs bekroond University Coalition for Basic and Applied Fossil Energy Research-project, gesponsord door de DOE, Vander Wal wil een dieper begrip ontwikkelen van hoe procesomstandigheden in de reactor van H Quest koolstofproductparameters definiëren.

Essentieel voor deze inspanning zijn de capaciteiten van het Material Characterization Laboratory, die een breed scala aan karakteriseringstechnieken heeft op het gebied van microscopie, spectroscopie, oppervlakte analyse, en thermofysische technieken die licht zullen werpen op waarom verschillende materialen verschillende eigenschappen en gedragingen vertonen.

Het project, getiteld "Optimalisatie van door de magnetron aangedreven, Plasma-geassisteerde omzetting van methaan in waterstof en grafeen, " streeft naar het identificeren van reactorontwerp en procesomstandigheden voor waterstofproductie met de mogelijkheid om koolstofproductkenmerken af ​​te stemmen en methaanomzetting te evalueren, productopbrengsten, en selectiviteit.

Het doel is om relaties te ontwikkelen tussen de koolstofproductvorm, kenmerken, en procesparameters. Dergelijke relaties zullen selectieve productie van specifieke koolstofvormen mogelijk maken en het vermogen om hun fysisch-chemische eigenschappen aan te passen. De onderzoekers hopen dat dit zal leiden tot waterstoftechnologieën van de volgende generatie die het mogelijk kunnen maken om gestrande binnenlandse energiebronnen te gebruiken, zoals gestrande aardgasreserves, terwijl ook de waterstofgrondstoffen worden gediversifieerd.

Indien succesvol, het zou ook de kosten kunnen verlagen die gepaard gaan met grootschalige waterstofenergieproducten; marktvraag creëren, technologieën, en infrastructuur om de inzet van waterstofenergie mogelijk te maken; en gebruik huishoudelijk aardgas voor de productie van energie en synthetische koolstofproducten.

"Magnetronverwerking van aardgas vertegenwoordigt decarbonisatie van een fossiele brandstof en baant de weg naar de waterstofeconomie, ', zegt Vander Wal.

Het zou ook een weg banen naar schonere, goedkopere koolstofproducten. grafeen, bijvoorbeeld, is een materiaal dat sterker is dan staal en beter geleidt dan koper.

"Grafeen, als toevoeging aan beton, kan de sterkte en duurzaamheid vergroten, bijdragen aan de verbetering van de infrastructuur en tegelijkertijd de productie van koolstof/grafeen op grote schaal vastleggen, ', zegt Vander Wal.

Onderzoekers van het Penn State EMS Energy Institute en H Quest werken ook samen via een National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program-prijs om het materiaal van het bedrijf in deze rollen te testen. Ze onderzoeken ook toepassingen van microgolfplasma om steenkool om te zetten in koolstofproducten via een prijs van het National Energy Technology Laboratory van de DOE.

De omvang van de van plasma afgeleide producten is immens, van actieve kool tot 3D-printbare kunststoffen tot industriële koolstofelektroden voor het smelten van staal en aluminium, de mogelijkheden zijn onmetelijk, zei Skoptsov.

"Steenkool is de basis geweest voor de moderne industriële organische chemie, " voegde hij eraan toe. "Er zijn zoveel synthetische producten - van aspirine tot nylon - gemaakt van steenkool, voordat het synoniem werd met elektriciteitsopwekking in het tijdperk van goedkope olie in de jaren vijftig. Dit onderzoek zal de echte waarde van onze fossiele hulpbronnen als bron van hoogwaardige materialen ontsluiten, maar zal dit doen op een duurzamere en kosteneffectievere manier dan ooit mogelijk is geweest."