Genom att linda nanopartiklar i nickel i en skyddande sköld av porös kiseldioxid, A*STAR -forskare har utvecklat en mycket aktiv och robust katalysator som kan hjälpa till att producera metan från biomassa.

Biomassa är en potentiellt koldioxidneutral råvara för framställning av bränslen eller andra användbara kemikalier. Genom en process som kallas förgasning, biomassa omvandlas till en blandning, känd som syngas, innefattande kolmonoxid, koldioxid och väte. Syngas kan förvandlas till en rad andra kemikalier, inklusive metan, som kan användas som transportbränsle eller stadsgas, eller bränns för att generera el.

Olika katalysatorer omvandlar syngaser till metan. Nickel är en av de vanligaste, på grund av dess höga aktivitet och måttliga kostnad, och det stöds vanligtvis på ett annat material såsom aluminiumoxid eller kiseldioxid. Men katalysatorn kan inaktiveras under denna metanationsreaktion vid hög temperatur, antingen genom en uppbyggnad av kol som kallas koks, eller genom en process som kallas sintring där katalysatorpartiklar klumpar ihop sig. Dessutom, alla spår av svavelföreningar i syntesen kan mycket snabbt stänga av nickels katalytiska aktivitet, så syngas måste gå igenom en dyr rengöringsprocess för att avlägsna svavel innan metanering.

Luwei Chen från A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences och kollegor har nu inbäddat nickel -nanopartiklar i porös kiseldioxid, som tillåter gaser att komma åt katalysatorn, men förhindrar problem som orsakar avaktivering.

De framställde katalysatorn genom att blanda partiklar av nickelhydroxid med tetraetylortosilikat. Efter ytterligare behandling, de aktiverade nickeln genom att reagera det med väte vid 600 grader Celsius, bildande partiklar som innehöll cirka 40 viktprocent nickel. Forskarna testade sin katalysator med syngaser som härrör från en förgasningsprocess, och med en simulerad syngas, båda innehöll svavel. Med hjälp av tekniker som transmissionselektronmikroskopi, Röntgendiffraktion och termisk gravimetrisk analys, de fann att katalysatorn upplevde mycket lite sintring eller kokning under reaktionen, till skillnad från en kommersiell katalysator som testades med samma syntesprover. "Porös kiseldioxid skyddar genom att isolera varje partikel, för att förhindra sintring, säger Chen.

Nickel-kiseldioxidkatalysatorn klarade också svavelföroreningar tre gånger så länge som sin kommersiella rival innan den inaktiverades. Att förbättra svavelbeständigheten hos katalysatorn på detta sätt kan leda till betydande kostnadsbesparingar i rengöringsprocessen för syngaser. Forskarna samarbetar nu med IHI, ett japanskt verkstadsföretag, att skala upp sin syntes av katalysatorn, och metaniseringsprocessen.