Forskere udvikler ny teknologi til at genanvende drivhusgasser til energi, materialer

Et par forskere fra University of Central Florida har udviklet nye metoder til at producere energi og materialer fra den skadelige drivhusgas, metan.

Pund-for-pund er den sammenlignende påvirkning af metan på Jordens atmosfære 28 gange større end kuldioxid – en anden stor drivhusgas – over en 100-årig periode, ifølge U.S. Environmental Protection Agency.

Dette skyldes, at metan er mere effektiv til at fange stråling, på trods af at den har en kortere levetid i atmosfæren end kuldioxid.

Vigtigste kilder til metanemissioner omfatter energi og industri, landbrug og lossepladser.

De nye UCF-innovationer gør det muligt at bruge metan til grøn energiproduktion og til at skabe højtydende materialer til smarte enheder, bioteknologi, solceller og mere.

Opfindelserne kommer fra nanoteknolog Laurene Tetard og katalyseekspert Richard Blair, som har været forskningssamarbejdspartnere ved UCF i de sidste 10 år.

Tetard er lektor og associeret formand for UCF's Institut for Fysik og forsker ved NanoScience Technology Center, og Blair er forskningsprofessor ved UCF's Florida Space Institute.

En bedre, renere teknologi til fremstilling af brint

Den første opfindelse er en metode til at fremstille brint fra kulbrinter, såsom metan, uden at frigive kulstof.

Ved at bruge synligt lys - såsom en laser, lampe eller solenergikilde - og defektkonstruerede borrige fotokatalysatorer, fremhæver innovationen en ny funktionalitet af materialer i nanoskala til synlig lys-assisteret opsamling og omdannelse af kulbrinter som metan. Defektteknik refererer til at skabe uregelmæssigt strukturerede materialer.

UCF-opfindelsen producerer brint, der er fri for forurenende stoffer, såsom højere polyaromatiske forbindelser, carbondioxid eller carbonmonoxid, der er almindelige i reaktioner udført ved højere temperaturer på konventionelle katalysatorer.

Udviklingen kan potentielt sænke omkostningerne ved katalysatorer, der bruges til at skabe energi, give mulighed for mere fotokatalytisk konvertering i det synlige område og muliggøre mere effektiv brug af solenergi til katalyse.

Markedsapplikationer omfatter mulig storstilet produktion af brint i solfarme og opsamling og omdannelse af metan.

"Denne opfindelse er faktisk en tomand," siger Blair. "Du får grøn brint, og du fjerner - ikke rigtigt binder - metan. Du bearbejder metan til kun brint og rent kulstof, der kan bruges til ting som batterier."

Han siger, at traditionel brintproduktion bruger høje temperaturer med metan og vand, men ud over brint genererer den proces også kuldioxid.

"Vores proces tager en drivhusgas, metan og omdanner den til noget, der ikke er en drivhusgas og to ting, der er værdifulde produkter, brint og kulstof," siger Blair. "Og vi har fjernet metan fra kredsløbet."

Han bemærkede, at de på UCF's Exolith Lab var i stand til at generere brint fra metangas ved hjælp af sollys ved at sætte systemet på en stor solkoncentrator.

Ved at vide dette siger han, at lande, der ikke har rigelige strømkilder, kunne bruge opfindelsen, da alt, hvad de har brug for, er metan og sollys.

Udover olie- og naturgassystemer findes metan på lossepladser, industri- og landbrugsområder og spildevandsbehandlingsanlæg.

Uddannelse af forureningsfri kulstofnano/mikrostrukturer

Denne teknologi udviklet af Tetard og Blair er en metode til fremstilling af carbon-nanoskala- og mikroskalastrukturer med kontrollerede dimensioner. Den bruger lys og en defekt-konstrueret fotokatalysator til at lave mønstrede, veldefinerede nanoskala- og mikroskalastrukturer fra adskillige kulstofkilder. Eksempler omfatter methan, ethan, propan, propen og kulilte.

"Det er som at have en kulstof-3D-printer i stedet for en polymer-3D-printer," siger Tetard. "Hvis vi har et værktøj som dette, så er der måske endda nogle kulstofstilladsdesigns, vi kan finde på, som er umulige i dag."

Blair siger, at drømmen er at lave højtydende kulstofmaterialer af metan, hvilket i øjeblikket ikke gøres særlig godt lige nu, siger han.

"Så denne opfindelse ville være en måde at fremstille sådanne materialer af metan på en bæredygtig måde i stor industriel skala," siger Blair.

De producerede kulstofstrukturer er små, men velstrukturerede og kan arrangeres præcist med præcise størrelser og mønstre.

"Nu taler du høje dollar-applikationer, måske til medicinsk udstyr eller nye kemiske sensorer," siger Blair. "Dette bliver en platform for udvikling af alle slags produkter. Ansøgningen er kun begrænset af fantasien."

Da vækstprocessen kan indstilles ved forskellige bølgelængder, kunne designmetoder inkorporere forskellige lasere eller solbelysning.

Tetards laboratorium, der arbejder på nanoskala, forsøger nu at reducere størrelsen.

"Vi forsøger at tænke på en måde at lære af processen og se, hvordan vi kunne få den til at fungere på selv de mindre skalaer - kontroller lyset i en lille mængde," siger hun.

"Lige nu er størrelsen af ​​strukturerne mikroskala, fordi lysbrændvidden, vi skaber, er mikrostørrelse," siger hun. "Så hvis vi kan styre lyset i en lille mængde, kan vi måske dyrke objekter i nanostørrelse til mønstrede nanostrukturer tusind gange mindre. Det er noget, vi overvejer at implementere i fremtiden. Og så, hvis det bliver muligt, der er mange ting, vi kan gøre med det."

En bedre, renere teknologi til at producere kulstof

Forskernes bedre, renere teknologi til at producere brint var faktisk inspireret af deres tidligere innovative metode, der fremstiller kulstof fra defekt-konstrueret bornitrid ved hjælp af synligt lys.

De opdagede en ny måde at producere kulstof og brint på gennem en kemisk krakning af kulbrinter med energi leveret af synligt lys kobling med en metalfri katalysator, defekt-konstrueret bornitrid.

Sammenlignet med andre metoder er det bedre, fordi det ikke kræver væsentlig energi, tid eller specielle reagenser eller prækursorer, der efterlader urenheder.

Det eneste, der er tilbage, er kulstof og nogle spor af bor og nitrogen, hvoraf ingen er giftige for mennesker eller miljøet.

Den fotokemiske transformationsteknologi egner sig til mange applikationer, herunder sensorer eller nye komponenter til nanoelektronik, energilagring, kvanteenheder og grøn brintproduktion.

Stærkt samarbejde

Som mangeårige forskningssamarbejdspartnere Tetard og Blair er alt for fortrolige med det gamle ordsprog:"Hvis du først ikke lykkes, så prøv, prøv igen."

"Det tog et stykke tid at få nogle virkelig spændende resultater," siger Tetard. "I begyndelsen virkede meget af den karakterisering, vi forsøgte at gøre, ikke som vi ønskede. Vi satte os ned for at diskutere forvirrende observationer så mange gange."

Alligevel pløjede de fremad, og deres udholdenhed betalte sig med deres nye opfindelser.

"Richard har en million forskellige ideer til, hvordan man løser problemer," siger Tetard. "Så til sidst ville vi finde noget, der virker."

Hun og Blair slog sig sammen kort efter mødet i 2013 på UCFs fysikafdeling. Blair havde netop opdaget katalytiske egenskaber i den kemiske forbindelse bornitrid, som var "uhørt" og ønskede at offentliggøre oplysningerne og forske mere.

Han havde en samarbejdspartner til teoretisk modellering, Talat Rahman, en fremtrædende Pegasus-professor ved Institut for Fysik, men han havde brug for nogen til at hjælpe med at karakterisere resultaterne.

"På karakteriseringsniveauet er det ikke der, min styrke er," siger han. "Jeg har styrker, der supplerer Laurenes styrker. Det gav mening at se, om vi kunne gøre noget sammen, og om hun kunne tilføje noget indsigt til det, vi så."

Så i samarbejde med Rahman og U.S. National Science Foundation håbede de at få en molekylær forståelse af de katalytiske egenskaber defektladet, hexagonalt (krystalstruktureret) bornitrid, en metalfri katalysator.

Typiske katalysatorer består ofte af metaller, og bornitrid, nogle gange kaldet "hvid grafit", har haft mange industrielle anvendelser på grund af dets glatte egenskaber, men ikke til katalyse.

"Indtil vi kom, blev den slags bornitrid betragtet som bare inert," siger Blair. "Måske et smøremiddel, måske til kosmetik. Men det havde ikke nogen kemisk brug. Men med defekt konstruktion fandt forskerholdet ud af, at forbindelsen havde et stort potentiale til at producere kulstof og grøn brint, muligvis i store mængder."

Teknologien, som holdet udviklede til at fremstille kulstof fra defekt-konstrueret bornitrid ved hjælp af synligt lys, kom uventet.

Blair siger, at for at analysere katalysatorens overflade ville de placere den i en lille beholder, sætte den under tryk med en kulbrintegas, såsom propen, og derefter udsætte den for laserlys.

"Hver gang gjorde det to ting, der var frustrerende," siger han. "Katalysatoren i sig selv udsendte lys, der tilslørede alle data, vi havde brug for, og eleven blev ved med at sige, 'den bliver brændt', og jeg vil sige, at det er umuligt. Der er ingen kulstof på katalysatoren."

"Og der var ingen ilt," tilføjer Tetard. De var lamslåede.

"Hvis vi ville studere det brændende sted, skulle det være større," siger hun.

Når det lykkedes dem at producere en større prøve, satte de den under elektronmikroskopet.

"Vi begyndte at se nogle streger, men det er et løst, rodet pulver, så det burde ikke bestilles," sagde Tetard. "Men da vi zoomede noget mere ind, så vi noget kulstof og en masse af det, med det defektkonstruerede bornitrid-pulver klæbende til toppen af ​​det."

Det, der blev set som et problem, var faktisk serendipitalt, da opdagelsen ville tillade brintproduktion ved lave temperaturer og produktion af kulstof som et biprodukt uden frigivelse af drivhusgasser eller forurenende stoffer.

Leveret af University of Central Florida