Tým chemiků z Rice University vyvinul čistší a levnější způsob výroby syngasu pomocí nanotechnologií.
Nový proces je levnější, protože spotřebovává méně energie, což je také šetrnější k životnímu prostředí. Vzhledem k všestrannosti syngasu (syntézního plynu) jako suroviny a suroviny pro širokou škálu chemických produktů, jako je amoniak pro hnojivo, pro palivo a pro výrobu metanu, by objev mohl mít zásadní dopad na dosažení cílů v oblasti změny klimatu.
Syngas se vyrábí procesem nazývaným zplyňování paliva obsahujícího uhlík, jako jsou emise uhlí, parní reformování koksu nebo emise odpadů ze spalování zemního plynu nebo biomasy pro energii. Jedná se o směs oxidu uhelnatého a vodíku, který se používá k výrobě chemikálií a paliv s hodnotou podle BCC Research více než 46 miliard USD ročně.
Průlom byl učiněn na Rice University v Texasu, kde vědci objevili, že nanočástice mědi s jediným atomem ruthenia mohou fungovat jako účinnější katalyzátor než současné metody.
"Syngas lze vyrobit mnoha způsoby, ale jeden z nich, metanové suché reformování, je stále důležitější, protože chemickými vstupy jsou metan a oxid uhličitý, dva silné a problematické skleníkové plyny," řekl Naomi Halas, jeden ze spoluautorů studie.
Zplyňování vyžaduje katalyzátory, aby povzbudily chemické reakce, které rozbíjejí uhlovodíky za vzniku syngasu, obvykle využívající páru jako zdroj energie.
Jak uvádí online časopis Science Daily: „Atomy vodíku se spojí a vytvoří plynný vodík a atomy uhlíku se spojí s kyslíkem ve formě oxidu uhelnatého. Při suchém reformování pocházejí atomy kyslíku spíše z oxidu uhličitého než z páry. “
Problém, vysvětluje první autor studie Linan Zhou, výzkumný pracovník v Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), je, že „… suché reformování nebylo pro průmysl atraktivní, protože obvykle vyžaduje ještě vyšší teploty a více energie než na bázi metody páry."
Řešení výzvy trvalo mnoho let. Jak uvádí tisková zpráva Rice University, „Halas, který řídí LANP, roky pracoval na vytvoření světlem aktivovaných nanočástic, které s chirurgickou přesností vkládají energii do chemických reakcí. V roce 2011 její tým ukázal, že by to mohlo zvýšit množství krátkodobě vysokoenergetických elektronů nazývaných „horké nosiče“, které se vytvářejí při lehkém nárazu na kov, a v roce 2016 odhalily první z několika „anténních reaktorů“, které používají horké nosiče řídit katalýzu. “
Ve studii z roku 2018 tým zjistil, že měděný a rutheniový anténní reaktor může produkovat vodík z amoniaku - proces, který byl základem pro objev syngasu.
V každém katalyzátoru zpráva uvádí, že „měděná koule o průměru 5-10 nanometrů je posetá rutheniovými ostrovy. U katalyzátorů na bázi amoniaku obsahoval každý ostrov několik desítek atomů ruthenia, ale Zhou je musel zmenšit na jediný atom pro katalyzátor pro suché reformování. “
"Pro tuto reakci je důležitá vysoká účinnost, ale stabilita je ještě důležitější," říká Zhou. "Pokud někomu v oboru řeknete, že máte opravdu účinný katalyzátor, zeptá se:" Jak dlouho to vydrží? ""
Například většina katalyzátorů zplyňování trpí „koksováním“, kde se na povrchu hromadí uhlík, což je činí zbytečnými. To by vyžadovalo, aby výrobci syngasu přidávali čerstvé suroviny katalyzátoru, což zvyšuje náklady.
"Oni [výrobci] nemohou měnit katalyzátor každý den," říká Zhou. "Chtějí něco, co vydrží."
Nový proces snižuje pravděpodobnost koksování izolováním aktivních míst ruthenia, kde je uhlík disociován z vodíku, což jim umožňuje volnější reakci s kyslíkem za vzniku oxidu uhelnatého.
"Ostrovy s jedním atomem však nestačí," dodává Zhou. "Pro stabilitu potřebujete jak jednotlivé atomy, tak horké elektrony."
Z tohoto důvodu tým analyzoval, jak horké nosiče reagovaly s vodíkem, a zjistil, že často odhazoval atomy z povrchu reaktoru.
"Když vodík rychle opouští povrch, je pravděpodobnější, že vytvoří molekulární vodík," poznamenává. „Také to snižuje možnost reakce mezi vodíkem a kyslíkem a nechává kyslík reagovat s uhlíkem. Takto můžete ovládat horký elektron, abyste se ujistili, že netvoří koks. “
Výsledkem je levnější a čistší způsob výroby syngasu s nižší uhlíkovou stopou než současné procesy.
I když je zapotřebí další práce, aby bylo zajištěno, že technologie bude škálovatelná, Halas se domnívá, že tato metoda je ideální, „… pro udržitelné, na světlo řízené, nízkoteplotní, methanové reformovací reakce pro výrobu vodíku na vyžádání.“
Použití jedno atomových anténních reaktorů by však mohlo mít využití i mimo výrobu syngasu. U katalyzátorů používaných v chemickém průmyslu pro nejrůznější použití je vývoj nového energeticky účinného katalyzátoru vyrobeného z nanočástic jistě přitažlivý.
V případě potřeby další důkaz o rostoucí síle a rozsahu aplikací pro nanomateriály.
Fotografický kredit: RiceUniversity, Kraftworkfurschung, a Gasworld.
