Ny katalysator til fremstilling af brændstof fra skifergas

Metan i skifergas kan omdannes til kulbrintebrændstoffer ved hjælp af en innovativ platin- og kobberlegeringskatalysator, ifølge ny forskning ledet af UCL (University College London) og Tufts University.

Platin eller nikkel er kendt for at bryde kulstof-hydrogen-bindingerne i metan, der findes i skifergas, til fremstilling af kulbrintebrændstoffer og andre nyttige kemikalier. Imidlertid, denne proces forårsager 'koksning' - metallet belægges med et carbonlag, hvilket gør det ineffektivt ved at blokere reaktioner, der sker ved overfladen.

Den nye legeringskatalysator er modstandsdygtig over for koksdannelse, så det bevarer sin aktivitet og kræver mindre energi for at bryde bindingerne end andre materialer.

I øjeblikket, metan-reformeringsprocesser er ekstremt energiintensive, kræver temperaturer på omkring 900 grader Celsius. Dette nye materiale kunne sænke dette til 400 grader Celsius, spare energi.

Studiet, udgivet i dag i Naturkemi , demonstrerer fordelene ved den nye stærkt fortyndede legering af platin i kobber - en enkeltatomlegering - ved fremstilling af nyttige kemikalier ud fra små kulbrinter.

En kombination af overfladevidenskab og katalyseeksperimenter og kraftfulde computerteknikker blev brugt til at undersøge legeringens ydeevne. Disse viste, at platinet bryder carbon-hydrogenbindinger, og kobberet hjælper med at koble kulbrintemolekyler af forskellige størrelser, baner vejen mod konvertering til brændstoffer.

Studie medlederforfatter, Professor Michail Stamatakis (UCL Chemical Engineering), sagde:"Vi brugte supercomputere til at modellere, hvordan reaktionen sker - brydning og fremstilling af bindinger i små molekyler på den katalytiske legeringsoverflade, og også at forudsige dens ydeevne i store skalaer. For det, vi havde brug for adgang til hundredvis af processorer for at simulere tusinder af reaktionshændelser. "

Mens UCL -forskere sporede reaktionen ved hjælp af computere, Tufts kemikere og kemiske ingeniører kørte overfladevidenskab og mikroreaktoreksperimenter for at demonstrere levedygtigheden af ​​den nye katalysator - platinatomer spredt i en kobberoverflade - i praktiske omgivelser. De fandt ud af, at enkeltatomlegeringen var meget stabil og kun krævede en lille mængde platin for at fungere.

Studieleder, Professor Charles Sykes fra Institut for Kemi på Tufts University's School of Arts &Sciences, sagde:"At se er at tro, og vores scanningstunnelmikroskop tillod os at visualisere, hvordan enkelte platinatomer var arrangeret i kobber. I betragtning af at platin er over $1, 000 en ounce, versus kobber til 15 cents, der kan opnås en betydelig omkostningsbesparelse."

Sammen, holdet viser, at der kræves mindre energi til legeringen for at hjælpe med at bryde bindingerne mellem kulstof- og brintatomer i metan og butan, og at legeringen er modstandsdygtig over for koksdannelse, åbne op for nye applikationer til materialet.

Studiet medansvarlig forfatter, Fremstående professor Maria Flytzani-Stephanopoulos fra Institut for Kemisk og Biologisk Ingeniørvidenskab på Tufts Universitets Ingeniørskole, sagde:"Mens modelkatalysatorer i overfladevidenskabelige eksperimenter er afgørende for at følge strukturen og reaktiviteten på atomær skala, det er spændende at udvide denne viden til realistiske nanopartikelkatalysatorer af lignende sammensætninger og teste dem under praktiske forhold, rettet mod at udvikle katalysatoren til det næste trin - industriel anvendelse."

Holdet planlægger nu at udvikle yderligere katalysatorer, der er tilsvarende modstandsdygtige over for den koksdannelse, der plager metaller, der traditionelt anvendes i denne og andre kemiske processer.