Forskere bruger røntgenstråler til at knække skiferens hemmeligheder, en hjørnesten i en af ​​nationens hurtigst voksende energikilder

Naturgas og råolie låst inde i lag af skifer, en type sedimentær bjergart, er en af ​​landets største og hurtigst voksende energikilder. Ifølge Drew Pomerantz, en videnskabsmand ved Schlumberger, et oliefeltservicefirma, to af de mest fascinerende videnskabelige spørgsmål relateret til skifer er, hvad de består af, og hvordan olie og gas opbevares og transporteres i klipperne.

For at løse disse spørgsmål, Pomerantz og hans team indledte et samarbejde med Dimosthenis Sokaras, en videnskabsmand ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Ved at bruge SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), forskerne udvikler teknikker til at undersøge naturligt forekommende former for kulstof som den, der findes i skifer.

Tidligere i år, de udgav et papir i Energi og brændstoffer om en lang række forskellige former for kulstof, der findes i naturen, herunder kerogen, som er organisk kulstof, der findes i sedimentære bjergarter og er den mest udbredte form for naturligt forekommende organisk kulstof i jordskorpen.

Disse materialer kan enten være for det meste aromatiske, indeholdende kulstofatomer forbundet med stærke, stive bindinger, såsom i grafit eller kul, eller for det meste alifatisk, indeholdende kulstofatomer forbundet med svage, fleksible bindinger, såsom i voks eller olie. Forskerne fandt ud af, at på trods af disse grundlæggende forskelle, det aromatiske kulstof er altid struktureret ens.

Hvorfor er det vigtigt at studere kulstof?

Sokaras:Kulstof er overalt, og det kommer i så mange forskellige former. Selvom alle disse former er sammensat af det samme element, arrangementet af deres elektroner, og dermed deres binding, fører til vidt forskellige egenskaber

Pomerantz:I naturen, du har en lille smule kulstof i luften og på jordens overflade, en lille smule kulstof i søer og oceaner, men broderparten af ​​planetens organiske kulstof er faktisk under jorden. Og jo tættere du kommer på jordens centrum, jo højere temperaturer og tryk bliver, som ændrer materialernes kemi. Disse ændringer, som i sidste ende kan føre til dannelse af olie og gas, resultat af en proces kendt som "termisk modning." Vi ønskede at studere repræsentative prøver af de mange forskellige former for naturligt forekommende organisk kulstof, inklusive prøver med forskellige termiske løbetider.

Vores håb er, at hvis vi kan forstå strukturen af ​​kulstofformationer, hvor olie produceres, og de kemiske og fysiske processer, der forekommer i dem, vi kan lave bedre forudsigelser om, hvor man kan finde olie, og hvordan man udvinder den fra jorden. Dette kan også lære os om, hvad der sker, når vi forsøger at fjerne kuldioxid fra atmosfæren ved at begrave det under jorden, hvor det interagerer med organisk kulstof, der allerede er derinde.

Hvilke fremskridt er der gjort på denne front hos SSRL indtil videre?

Pomerantz:I 2018, vi udgav et grundlæggende papir i Journal of Physical Chemistry A hvor vi opdagede, at strukturen af ​​aromatisk kulstof afspejles i dets røntgenspektre, og at strukturen kunne måles eksperimentelt ved hjælp af en unik form for røntgenspektroskopi ved SSRL.

I vores seneste papir, vi tog det, vi lærte i vores tidligere arbejde, og anvendte det på materialer fra den virkelige verden for at se, om vi kunne bruge vores teknik til at skelne mellem dem. Ud over at se på prøver af kerogen over en række forskellige typer og termiske løbetider, vi så på former for kulstof fra en række friske materialer – såsom i alger og plantematerialer – og fra kul og oliebaserede materialer. Vi viste, at alle disse materialer har fælles træk:for den del af materialerne, der er sammensat af aromatisk kulstof, at aromatisk kulstof altid har samme struktur. Da strukturen af ​​aromatisk kul styrer dets egenskaber og reaktiviteter, disse resultater hjælper med at forklare nogle af de kemiske reaktioner, der forekommer i naturen, inklusive dem, der er involveret i at skabe olie.

Hvad gjorde det muligt for dig at opnå disse resultater?

Sokaras:Gennem årene, forskere har udviklet en række teknikker, der følsomt kan adskille de forskellige former for kulstof i modelsystemer. Imidlertid, når du flytter til naturligt forekommende prøver i den virkelige verden, tingene kan blive lidt mere rodede. Faktisk, sådanne prøver kan bestå af komplekse inhomogene blandinger af organiske materialer og ofte være i et ikke-fast stof, tyk-flydende fase. Sådanne tilfælde er vanskelige at studere ved hjælp af mere traditionelle teknikker med ultrahøje vakuumkrav eller overfladefølsomhed. Hos SSRL, vi har udviklet os hårdt, eller høj energi, Røntgen-uelastiske spredningsteknikker, der giver os mulighed for kemisk at analysere disse former for kulstof i naturligt forekommende prøver 'som de er', giver indsigt i kemien af ​​organisk materiale som skifer.

Hvad er de næste skridt? Hvor håber du, at denne forskning fører hen?

Pomerantz:Disse undersøgelser har givet en begrebsmæssig forståelse af strukturen af ​​en bred klasse af organiske molekyler og vil forhåbentlig blive brugt i fremtiden til at forbedre ikke kun processen med at producere olie og gas fra skifer, men også processen med at lagre kuldioxid i skifer. .

Sokaras:Fra et SLAC-perspektiv, vi forsøger også at se, hvordan vi kan engagere andre forskere i energisamfundet og demonstrere værdien af ​​vores eksperimentelle metoder. Vi håber, at ved at give nøgleindsigt i olierelaterede forbindelser og vise, hvordan de teknikker, vi udvikler her, kan anvendes på problemer i den virkelige verden, som olieselskaber er interesserede i, vi kan udvide vores energifokuserede videnskabsprogram yderligere.