En multidisciplinär samarbetsrelation, utvecklats mellan forskare från Penn State EMS Energy Institute och ett Pittsburgh-baserat nystartat företag, kan innehålla svaret på att minska de globala utsläppen av växthusgaser samtidigt som den banar väg för att störa kemisk industri och materialindustri.

Sedan 2015, Randy Vander Wal, professor i energi- och mineralteknik samt materialvetenskap och teknik, och ansluten till EMS Energy Institute, har samarbetat med H Quest Vanguard i ett växande antal projekt som använder företagets plasmateknologi för att möjliggöra potentiella nya, icke-emitterande användningar av kol och naturgas.

"De unika egenskaperna hos Penn State's Material Characterization Laboratory ger ovärderliga insikter i egenskaperna hos H Quests plasmaproducerade material och är avgörande för att etablera en produkt som lämpar sig för kommersialisering, sade George Skoptsov, H Quest VD.

Samarbetet har resulterat i fem forskningsprojekt som syftar till att återuppfinna kol och naturgas under 2000-talet som rena, kostnadseffektiva källor till bränslen och högpresterande material.

Minska utsläppen av växthusgaser

Medan jordens klimat har förändrats genom historien, den nuvarande vetenskapliga konsensusen är att den nuvarande globala uppvärmningen sannolikt är resultatet av mänsklig aktivitet, nämligen utsläpp av växthusgaser på grund av förbränning av fossila bränslen.

Att byta till renare bränslen anses vara en nyckelkomponent för att minska dessa utsläpp. Väte, särskilt, är en lovande energibärare eftersom den brinner endast producerar vatten och inte koldioxid. Men väte är mycket sällsynt i sin rena molekylära form. Det är rikligt, dock, i form av vatten – 11 viktprocent väte – och metan, en huvudkomponent i naturgas - 25 viktprocent väte. Faktiskt, enligt US Department of Energy, för närvarande utvinns 95 % av vätgasen för bränsle i USA från naturgas.

Den mest använda industriella processen för väteproduktion - ånga-metanreformering - värmer metan från naturgas med hjälp av ånga för att producera kolmonoxid och väte. Tyvärr, denna process har ett stort fotavtryck för växthusgasutsläpp och förbrukar stora mängder vatten.

Termisk metansönderdelning värmer naturgas till mer än 2, 000 grader Fahrenheit, som knäcker kolvätemolekylerna, extrahera väte som gas och lämna kvar det fasta kolet. Införande av katalysatorer till denna process kan minska den erforderliga temperaturen men introducerar problemet med att separera det fasta kolet från katalysatorytorna. Övergripande, på grund av begränsningar i samband med uppvärmning, denna process förblir kostsam, energikrävande, och växthusgasutsläppande process.

H Quests mikrovågsplasmateknologi katalyserar reaktioner på ett nytt sätt och tillåter mycket snabb—1, 000 grader Fahrenheit per sekund—uppvärmning av gas, vilket inte är möjligt med konventionell uppvärmningsteknik som pannor, ugnar, värmeväxlare, eller induktiva värmare.

Eftersom förnybar el kan driva mikrovågor, och metansönderdelning använder inte syre, utvinning av väte från naturgas med mikrovågsplasmateknik kan vara helt fritt från utsläpp av växthusgaser. Dessutom, Mikrovågsplasma -teknik möjliggör modulära, småskalig, lågkapitalutbyggnad av kemiska omvandlingsanläggningar, göra den kemiska industrin mer effektiv, effektiv, flexibel och konkurrenskraftig.

I ett nyligen tilldelat universitetskoalition för forskningsprojekt för grundläggande och tillämpad fossil energi, sponsrad av DOE, Vander Wal vill utveckla en djupare förståelse för hur processförhållandena inom H Quests reaktor definierar kolproduktparametrar.

Vital för denna ansträngning är förmågan hos Material Characterization Laboratory, som har en mängd olika karaktäriseringstekniker inom mikroskopi, spektroskopi, ytanalys, och termofysiska tekniker som hjälper till att belysa varför olika material uppvisar olika egenskaper och beteenden.

Projektet, med titeln "Optimering av mikrovågsdrivet, Plasmaassisterad omvandling av metan till väte och grafen, "syftar till att identifiera reaktordesign och processförhållanden för väteproduktion med förmågan att justera kolproduktens egenskaper och utvärdera metanomvandling, produktutbyte, och selektivitet.

Målet är att utveckla relationer mellan kolproduktformen, egenskaper, och processparametrar. Sådana samband kommer att möjliggöra selektiv produktion av specifika kolformer och förmågan att skräddarsy deras fysikalisk-kemiska egenskaper. Forskarna hoppas att detta kommer att leda till nästa generations väteteknik som skulle kunna göra det möjligt att använda strandade inhemska energiresurser, såsom strandade naturgasreserver, samtidigt som man diversifierar vätgasråvaror.

Om det lyckas, det skulle också kunna minska kostnaderna i samband med storskaliga väteenergiprodukter; skapa efterfrågan på marknaden, teknologier, och infrastruktur för att möjliggöra utbyggnad av väteenergi; och använda inhemsk naturgas för tillverkning av energi och syntetiska kolprodukter.

"Mikrovågsbearbetning av naturgas representerar avkolning av ett fossilt bränsle samtidigt som den banar vägen mot väteekonomin, " sa Vander Wal.

Det skulle också skapa en väg till renare, billigare koldioxidprodukter. grafen, till exempel, är ett material som är starkare än stål och mer ledande än koppar.

"Graphene, som tillsats till betong, kan öka styrkan och hållbarheten, bidra till förbättring av infrastrukturen samtidigt som de binder vid storskalig produktion av kol/grafen, " sa Vander Wal.

Penn State EMS Energy Institutes forskare och H Quest samarbetar också genom ett National Science Foundation Small Business Technology Transfer Program-pris för att testa företagets material i dessa roller. De undersöker också tillämpningar av mikrovågsplasma för att omvandla kol till kolprodukter genom en utmärkelse från DOE:s National Energy Technology Laboratory.

Bredden av de plasma-härledda produkterna är enorm, från aktivt kol till 3D-tryckbar plast till industriella kolelektroder för stål- och aluminiumsmältning, möjligheterna är omätbara, sa Skoptsov.

"Kol har varit grunden för modern industriell organisk kemi, ", tillade han. "Så många syntetiska produkter - från aspirin till nylon - har tillverkats av kol, innan det blev synonymt med elproduktion i tiden med billig olja på 1950 -talet. Denna forskning kommer att låsa upp det verkliga värdet av våra fossila resurser som källan till högpresterande material, men kommer att göra det på ett mer hållbart och kostnadseffektivt sätt än vad som någonsin varit möjligt."