Forskare från University of Liverpool har gjort ett betydande genombrott i den direkta omvandlingen av koldioxid (CO ₂ ) och metan (CH ₄ ) till flytande bränslen och kemikalier som kan hjälpa industrin att minska utsläppen av växthusgaser och samtidigt producera värdefulla kemiska råvaror.

I en artikel publicerad i kemitidskriften Angewandte Chemie de rapporterar en mycket unik plasmasyntesprocess för direkt, enstegsaktivering av koldioxid och metan till högre värde flytande bränslen och kemikalier (t.ex. ättiksyra, metanol, etanol och formaldehyd) med hög selektivitet vid omgivningsförhållanden (rumstemperatur och atmosfärstryck).

Detta är första gången denna process har visats, eftersom det är en betydande utmaning att direkt omvandla dessa två stabila och inerta molekyler till flytande bränslen eller kemikalier med hjälp av en konventionell enstegsprocess (t.ex. katalys) som går förbi hög temperatur, energiintensiv syngasproduktionsprocess och högtryckssyngasbehandling för kemisk syntes.

Enstegssyntesen i rumstemperatur av flytande bränslen och kemikalier från direkt reformering av CO ₂ med CH ₄ uppnåddes genom att använda en ny icke-termisk plasmareaktor med atmosfäriskt tryck med en vattenelektrod och en låg energitillförsel.

Dr Xin Tu, från universitetets institution för elektroteknik och elektronik, sa:"Dessa resultat visar tydligt att icke-termiska plasma erbjuder en lovande lösning för att övervinna den termodynamiska barriären för direkt omvandling av CH ₄ och CO ₂ till en rad strategiskt viktiga plattformskemikalier och syntetiska bränslen vid omgivningsförhållanden. Att introducera en katalysator i den plasmakemiska processen, känd som plasmakatalys, kan justera selektiviteten hos målkemikalier. "

"Detta är en stor genombrottsteknik som har stor potential att leverera en stegvis förändring i framtida metanaktivering, CO ₂ omvandling och användning och lagring av kemisk energi, som också är av stor relevans för energi- och kemisk industri och kan hjälpa till att ta itu med utmaningarna med global uppvärmning och växthusgaseffekt."

Metan- och koldioxidutsläpp anses vara växthusgaser som bidrar till global uppvärmning och klimatförändringar.

För att ta itu med de globala energiutmaningarna till följd av växthusgaser, ny och framväxande teknik utvecklas i allt snabbare takt.

Plasma, materiens fjärde tillstånd, en elektriskt laddad gasblandning, erbjuder ett lovande och attraktivt alternativ för syntes av bränslen och kemikalier, ger ett unikt sätt att möjliggöra termodynamiskt ogynnsamma reaktioner att äga rum vid omgivningsförhållanden.

I icke-termiska plasma, gastemperaturen förblir låg (så låg som rumstemperatur), medan elektronerna är mycket energiska med en typisk elektrontemperatur på 1-10 eV, vilket är tillräckligt för att aktivera inerta molekyler (t.ex. CO ₂ och CH ₄ ) presenterar och producerar en mängd olika kemiskt reaktiva arter inklusive radikaler, exciterade atomer, molekyler och joner. Dessa energiska arter, som produceras vid en relativt låg temperatur, är kapabla att initiera en mängd olika reaktioner.

Plasmasystem har flexibiliteten att skalas upp och ner. Dessutom, hög reaktionshastighet och snabbt uppnående av steady state i en plasmaprocess möjliggör snabb start och avstängning av plasmaprocessen jämfört med andra termiska processer, vilket avsevärt minskar den totala energikostnaden och erbjuder en lovande väg för plasmaprocessen som drivs av förnybar energi (t.ex. vind- och solenergi) för att fungera som ett effektivt lokaliserat eller distribuerat system för lagring av kemisk energi.

Den mycket attraktiva processen skulle också kunna utgöra en lovande lösning för att avsluta gasfackling från olje- och gaskällor genom omvandling av facklad metan till värdefulla flytande bränslen och kemikalier som enkelt kan lagras och transporteras. Omkring 3,5 % (~150 miljarder kubikmeter gas) av världens naturgasförsörjning brändes slösaktigt, eller "blossad", vid olje- och gasfält, släppte ut mer än 350 miljoner ton koldioxid ₂ .