När vi arbetar för mer hållbara sätt att driva vår livsstil, det finns en strävan att överbrygga klyftan mellan de koldioxidutsläppande fossila bränslen som vi är beroende av för våra mest grundläggande behov, och städaren, men ännu inte ekonomiskt genomförbara alternativa tekniker.

För detta ändamål, en grupp vid UC Santa Barbara har utforskat metoder med vilka för närvarande billig och riklig metan (CH4) kan reduceras till rentbrännande väte (H2) samtidigt som man förhindrar bildandet av koldioxid (CO2), en växthusgas. Dess rapport, "Katalytiska smälta metaller för direkt omvandling av metan till väte och separerbart kol, " visas i journalen Vetenskap .

"I USA., metan kommer att vara hjärtat i vår ekonomi i fyra eller fem decennier, och att hitta sätt att använda det mer hållbart är det som motiverar oss, " sa UCSB kemiteknikprofessor Eric McFarland. "Denna artikel var en intressant vinkel på något vi har tittat på länge."

En produkt av både naturliga och konstgjorda processer, metan – den primära komponenten i naturgas – är en viktig bränslekälla för matlagning, värmer och driver våra hem och används i tillverkning och transport. Som en avfallsprodukt som är en mer potent växthusgas än koldioxid, det är målet för många ansträngningar att fånga upp och minska sådana utsläpp.

Ångmetanreformering (SMR) har kommersialiserats i decennier och är den vanligaste processen för att producera kommersiellt väte. Dock, forskarna påpekar, SMR förbrukar betydande mängder energi och producerar nödvändigtvis koldioxid, som vanligtvis släpps ut i atmosfären. När processen introducerades, CO2 ansågs inte vara ett problem. Men när vi blev mer medvetna om växthusgaser, det har vuxit till en global angelägenhet. Kostnaden för att driva SMR-processen, och de potentiella merkostnaderna för koldioxidskatter och kolbindning, sätter väteproduktion av SMR i riskzonen för betydande kostnadsökningar - särskilt i mindre skala verksamheter som kan ge det väte som behövs för bränslecellsfordon.

UCSB-teamet inkluderar ett långvarigt samarbete om katalytiska metoder för omvandling av naturgas mellan teoretisk kemist och professor Horia Metiu och McFarland. Tillsammans med kemiteknikprofessor Michael Gordon, de började undersöka användningen av smälta metaller och smälta salter som intressanta och outforskade katalytiska system. Metius teoretiska arbete antydde att olika kombinationer av metaller i smälta legeringar kan ge ökad katalytisk aktivitet för att omvandla metan till väte och fast kol. Forskarna har utvecklat en enstegsmetod genom vilken metan kan omvandlas till väte, vilket inte bara är enklare och potentiellt billigare än konventionella SMR-metoder, och resulterar i en fast form av kol som lätt kan transporteras och lagras på obestämd tid.

"Du introducerar en bubbla av metangas i botten av en reaktor fylld med denna katalytiskt aktiva smälta metall, " förklarade McFarland. "När bubblan stiger, metanmolekylerna träffar bubblans vägg och de reagerar för att bilda kol och väte."

Så småningom, han fortsatte, när metanbubblan når ytan, det har brutits ner till vätgas, som frigörs vid toppen av reaktorn; fasta kolämnen som flyter till toppen av den flytande metallen kan sedan skummas bort. Jämfört med konventionella metoder som förlitar sig på reaktioner som sker på fasta ytor, ytorna av smält metallegering deaktiveras inte av ansamling av kol och kan återanvändas på obestämd tid. Kombinationen av en aktiv flytande metall och dess löslighet i väte gör att smältan tar upp relativt sett mer väte och kol än vad som kan finnas i gasbubblorna. Detta gör att processen kan vara effektiv med mycket högtrycksmetan för att producera högtrycksväte.

"Du tillåter dig verkligen att dra bort alla produkter från reaktanterna och det gör att jämvikten förskjuts mot produkterna. Processen kan i princip arbeta vid högt tryck och ändå få mycket hög metanomvandling, " sa McFarland.

Ekosystemet för att distribuera denna typ av teknik finns redan, med tanke på befintlig infrastruktur för bearbetning av kolväten som kol och naturgas, det nuvarande överflödet av metan, och lagstiftnings- och industriansträngningar för att skärpa fångsten av flyktiga utsläpp, enligt McFarland. Forskningen har fångat uppmärksamheten och stödet från Royal Dutch Shell, han lade till. Den elektricitet som produceras av väte som härrör från denna nollkoldioxidprocess skulle vara billigare än nuvarande priser för solenergi, som, samtidigt som det i slutändan är mer hållbart, är inte kostnadskonkurrenskraftig med fossila bränslen idag.

"Om hela världen är rik, då skulle vind och sol vara tillräckligt låga kostnader för att kunna användas brett, men det är inte tillräckligt billigt för världen som vi har idag, ", sa McFarland. Ur utsläppssynpunkt, han fortsatte, det är särskilt viktigt att använda till låg kostnad, teknik med låga utsläpp på platser som Kina, för närvarande världens största utsläppare av växthusgaser. Indien och Afrika, som har en enorm och växande kolväteförbrukning, skulle också dra nytta av sådan teknik; de är inte tillräckligt rika ännu för att få lyxen av solpaneler.