Een paar onderzoekers van de University of Central Florida hebben nieuwe methoden ontwikkeld om energie en materialen te produceren uit het schadelijke broeikasgas methaan.

Volgens de Amerikaanse Environmental Protection Agency is de relatieve impact van methaan op de atmosfeer van de aarde, pond voor pond, 28 keer groter dan die van koolstofdioxide (een ander belangrijk broeikasgas) over een periode van 100 jaar.

Dit komt omdat methaan efficiënter is in het vasthouden van straling, ondanks dat het een kortere levensduur in de atmosfeer heeft dan koolstofdioxide.

Belangrijke bronnen van methaanuitstoot zijn onder meer 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 tien jaar onderzoeksmedewerkers waren bij UCF.

Tetard is universitair hoofddocent en universitair hoofddocent van het Departement Natuurkunde van UCF en onderzoeker bij het NanoScience Technology Center, en Blair is onderzoeksprofessor bij het Florida Space Institute van UCF.

Een betere, schonere technologie voor de productie van waterstof

De eerste uitvinding is een methode om waterstof te produceren uit koolwaterstoffen, zoals methaan, zonder dat er 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 de opvang en de omzetting van koolwaterstoffen zoals methaan door zichtbaar licht. Defect engineering verwijst naar het creëren van onregelmatig gestructureerde materialen.

De UCF-uitvinding produceert waterstof dat vrij is van verontreinigingen, zoals hogere polyaromatische verbindingen, kooldioxide of koolmonoxide, die gebruikelijk zijn bij reacties die bij hogere temperaturen worden uitgevoerd 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 onder meer de 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 methaan (niet echt sekwestreert). Je verwerkt methaan tot alleen waterstof en pure koolstof die kunnen worden gebruikt voor zaken als batterijen."

Hij zegt dat bij de traditionele waterstofproductie gebruik wordt gemaakt van hoge temperaturen met methaan en water, maar dat er naast waterstof ook kooldioxide vrijkomt.

"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 bij het Exolith Lab van UCF waterstof uit methaangas konden genereren 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, omdat ze alleen maar methaan en zonlicht nodig hebben.

Naast olie- en aardgassystemen komt methaan voor op stortplaatsen, industriële en agrarische gebieden en afvalwaterzuiveringsinstallaties.

Het kweken van verontreinigende stoffenvrije koolstofnano-/microstructuren

Deze technologie, ontwikkeld door Tetard en Blair, is een methode voor het produceren van koolstofstructuren op nanoschaal en microschaal met gecontroleerde afmetingen. Het maakt gebruik van licht en een door gebreken ontworpen fotokatalysator om goed gedefinieerde structuren op nanoschaal en microschaal te maken uit talrijke koolstofbronnen. Voorbeelden hiervan 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, zijn er misschien zelfs koolstofsteigerontwerpen die we kunnen bedenken die vandaag de dag onmogelijk zijn."

Blair zegt dat het de droom is om hoogwaardige koolstofmaterialen uit methaan te maken, wat momenteel nog niet zo goed gebeurt, zegt hij.

"Deze uitvinding zou dus een manier zijn om dergelijke materialen op een duurzame manier en 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 afmetingen 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 gebruik maken van verschillende lasers of zonne-verlichting.

Het laboratorium van Tetard, dat op nanoschaal werkt, probeert nu de omvang te verkleinen.

"We proberen een manier te bedenken om van het proces te leren en te kijken 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 lichtfocale volume dat we creëren microgrootte is", zegt ze. ‘Dus als we het licht in een klein volume kunnen controleren, kunnen we misschien duizend keer kleinere objecten van nanoformaat laten groeien voor nanostructuren met patronen. Dat is iets dat we in de toekomst willen implementeren. En dan, als dat mogelijk wordt, daar kunnen we veel mee doen."

Een betere, schonere technologie voor de productie van koolstof

De betere, schonere technologie van de onderzoekers voor de productie van waterstof was feitelijk geïnspireerd op een eerdere innovatieve methode van hen, waarbij met behulp van zichtbaar licht koolstof wordt gemaakt uit door gebreken vervaardigd boornitride.

Ze ontdekten een nieuwe manier om koolstof en waterstof te produceren door middel van het chemisch kraken van koolwaterstoffen met energie geleverd door zichtbaar licht, gekoppeld aan een metaalvrije katalysator, het door gebreken ontwikkelde boornitride.

Vergeleken met andere methoden is het beter omdat het geen aanzienlijke energie, tijd of speciale reagentia of precursoren vereist 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

Omdat oude onderzoeksmedewerkers Tetard en Blair maar al te bekend zijn met het oude gezegde:"Als het je in eerste instantie niet lukt, probeer het dan opnieuw."

"Het duurde een tijdje voordat we echt opwindende resultaten behaalden", zegt Tetard. "In het begin werkte een groot deel van de karakterisering die we probeerden uit te voeren niet zoals we wilden. We zijn zo vaak gaan zitten om raadselachtige observaties te bespreken."

Toch ploegden ze door, en hun doorzettingsvermogen werd beloond met hun nieuwe uitvindingen.

"Richard heeft een miljoen verschillende ideeën over hoe je problemen kunt oplossen", zegt Tetard. "Dus uiteindelijk zouden we iets vinden dat werkt."

Zij en Blair bundelden hun krachten kort na hun ontmoeting in 2013 op de natuurkundeafdeling van UCF. Blair had zojuist katalytische eigenschappen in de chemische verbinding boornitride ontdekt 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 het departement natuurkunde, maar hij had iemand nodig die kon helpen 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 zij enig inzicht kon toevoegen aan wat we zagen."

Daarom hoopten ze, in samenwerking met Rahman en de Amerikaanse National Science Foundation, moleculair inzicht te krijgen in 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 veel industriële toepassingen gehad vanwege zijn gladde eigenschappen, maar niet voor katalyse.

"Totdat wij er waren, werd dat soort boornitride als inert beschouwd", zegt Blair. "Misschien een smeermiddel, misschien voor cosmetica. Maar er werd geen chemisch gebruik van gemaakt. Door gebrekkige techniek ontdekte het onderzoeksteam echter dat de verbinding een groot potentieel had voor de productie van koolstof en groene waterstof, mogelijk in grote hoeveelheden." P>

De technologie die het team ontwikkelde voor het maken van koolstof uit defect-ontworpen boornitride met behulp van zichtbaar licht kwam onverwachts.

Blair zegt dat ze, om het oppervlak van de katalysator te analyseren, deze in een kleine container zouden plaatsen, deze onder druk zouden zetten met een koolwaterstofgas, zoals propeen, en deze vervolgens zouden blootstellen aan laserlicht.

"Elke keer gebeurde er twee dingen die frustrerend waren", zegt hij. "De katalysator zelf straalde licht uit dat alle gegevens die we nodig hadden verduisterde, en de student bleef maar zeggen:'hij verbrandt' 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.

Toen ze er eenmaal in slaagden een groter monster te produceren, legden ze het onder de elektronenmicroscoop.

"We begonnen wat lijnen te zien, maar het is een los, rommelig poeder, dus het mag niet worden besteld", zei Tetard. "Maar toen we nog wat verder inzoomden, zagen we wat koolstof en heel veel koolstof, met het defecte boornitridepoeder eraan vastgeplakt."

Wat als een probleem werd gezien, was eigenlijk toevallig, omdat de ontdekking waterstofproductie bij lage temperaturen en de productie van koolstof als bijproduct mogelijk zou maken zonder dat er broeikasgassen of verontreinigende stoffen vrijkwamen.

Aangeboden door University of Central Florida