Wetenschap
Om de methaanemissies op te vangen, creëren wetenschappers nanoshell-katalysatoren
Een door de Universiteit van Buffalo geleid onderzoeksteam ontwikkelt nieuwe katalysatoren die tot doel hebben de klimaatverwarmende methaanemissies om te zetten in bruikbare commerciële producten.
Het werk, vorige maand beschreven in Nature Communications , zou gevolgen kunnen hebben voor tal van industrieën, waaronder de productie van aardgas en ruwe olie, de veehouderij, de stortplaats en de mijnbouw, waar methaan een bijproduct is.
"Er is een kans met methaan om een directere impact te hebben op het terugdringen van de uitstoot van klimaatverandering. We werken aan een kosteneffectieve oplossing om dit industriële bijproduct om te zetten in waardevolle goederen, zoals chemische grondstoffen", zegt hoofdauteur Mark. T. Swihart, SUNY Distinguished Professor en voorzitter van de afdeling Chemische en Biologische Technologie van de UB School of Engineering and Applied Sciences.
Swihart, tevens SUNY Empire Innovation Professor en faculteitslid van het RENEW Institute van UB, voegde eraan toe dat de technologie bredere toepassingen heeft in halfgeleiders, biotechnologie, elektrochemie en andere gebieden die behoefte hebben aan nieuwe en verbeterde materialen.
Shuo Liu, een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Swihart, is eerste auteur van het onderzoek. Co-auteurs zijn onder meer Jeffery J. Urban, Ph.D., Chaochao Dun, Ph.D., Jinghua Guo, Ph.D., allemaal leden van het Lawrence Berkeley National Laboratory; Feipeng Yang, Ph.D., die tijdens de experimenten in Berkeley was maar nu werkt bij Brookhaven National Laboratory; Qike Jiang van de Westlake Universiteit in China; en Zhengxi Xuan, UB Ph.D. leerling.
De afvang van methaan blijft achter bij de afvang van koolstof
Methaan is het op een na meest voorkomende broeikasgas en het belangrijkste bestanddeel van aardgas. Het duurt slechts een paar decennia in de atmosfeer van de aarde, vergeleken met eeuwen voor koolstofdioxide, maar methaan houdt 80 keer meer warmte vast.
Decennia lang hebben wetenschappers moeite gehad om goedkope manieren te ontwikkelen om methaan om te zetten in nuttige producten zonder kooldioxide te produceren.
Een mogelijke oplossing is dry reforming, een industrieel proces dat zowel methaan als koolstofdioxide kan omzetten in chemische grondstoffen, dit zijn grondstoffen die fabrikanten kunnen gebruiken om andere producten te maken of te verwerken.
Maar droog reformerend methaan is commercieel niet levensvatbaar omdat bestaande katalysatoren op nikkelbasis niet meer werken wanneer hun katalytisch actieve deeltjes bedekt raken met koolstofafzettingen (verkooksing) of zich combineren tot grotere, minder actieve deeltjes (sinteren). De meeste katalysatoren vereisen ook complexe productieprocedures.
Team gebruikt unieke vlamreactor
Om deze problemen te overwinnen, gebruikte het team een unieke vlamreactor, ontwikkeld in het laboratorium van Swihart, die in één stap katalysatoren creëert. Dankzij dit op aërosol gebaseerde proces konden de wetenschappers verschillende, op nikkel gebaseerde katalysatoren onderzoeken, in dit geval kleine bolvormige deeltjes die nanoshells worden genoemd.
"De belangrijkste doorbraak is de vlamaërosolsynthesemethode", zegt Liu. "Het stelt ons in staat traditionele beperkingen te overwinnen en anderszins ontoegankelijke materialen met nieuwe eigenschappen te creëren."
De methode produceerde de best presterende katalysatoren door wat het onderzoeksteam een 'ingekapseld exosolutie'-proces noemt, waarbij nikkel-nanodeeltjes zich vormden in de poriën van een aluminiumoxide-omhulsel in plaats van op het oppervlak. Dit fenomeen helpt bij het bouwen van een stabieler materiaal dat op zijn beurt een duurzamere katalysator creëert.
In experimenten rapporteerde het team dat de katalysatoren gedurende 640 uur bij 800°C effectief bleven door 96% van het methaan en kooldioxide om te zetten in gewenste producten. De resultaten zijn volgens het team dramatisch beter dan die van conventionele katalysatoren.
De productiemethode suggereert niet alleen een weg voorwaarts naar verbeterde katalysatoren, maar ook voor andere gebieden waarop nieuwe materialen nodig zijn. Dit omvat de toediening van medicijnen, detectie en detectie, energieopslag en -conversie, en coatings en oppervlaktemodificatoren, zegt Swihart.