Ett diagram som visar hur den nya nickelbaserade katalysatorn skapas med den unika flamaerosolprocessen som skapats i Mark Swiharts labb. Kredit:University at Buffalo
En biprodukt av deponering, boskapsuppfödning, kolbrytning och andra mänskliga aktiviteter, metanutsläpp är en av de viktigaste drivkrafterna för klimatförändringar.
Ändå har forskare i årtionden kämpat för att utveckla billiga sätt att använda metan – som är den primära komponenten i naturgas – utan att också producera koldioxid, den vanligaste växthusgasen i jordens atmosfär.
Bland de möjliga lösningarna finns torrreformering, en process som har potential att omvandla både metan och koldioxid till kemiska råvaror, som är råmaterial som kan användas för att tillverka eller bearbeta andra produkter.
Men för att torrreformering ska bli kommersiellt gångbar behövs nya och förbättrade katalysatorer.
I två University at Buffalo-ledda studier publicerade i juni – en i Chem Catalysis , den andra i Angewandte Chemie —Forskare rapporterar om en ny produktionsmetod för att skapa nickelbaserade katalysatorer som kan övervinna långvariga utmaningar.
"För att uppfylla målen i Parisavtalet, för att nå koldioxidneutralitet, måste vi genomföra många förändringar av både energigenerering och produktion av kemiska råvaror", säger studiens huvudförfattare Mark Swihart, Ph.D., SUNY Distinguished Professor och ordförande av Institutionen för kemi- och biologisk teknik vid UB Högskolan för teknik och yrkeshögskola.
Shuo Liu, en Ph.D. kandidat i Swiharts labb, är första författare till studierna.
Medförfattare med UB-band inkluderar Satyarit Rao, Mihir Shah, Jilun Wei, Kaiwen Chen och Zhengxi Xuan; samt Eleni A. Kyriakidou, Ph.D., biträdande professor i kemi- och biologisk teknik vid UB, och Junjie Chen, Ph.D., en postdoktor vid Stanford University som fick en Ph.D. i Kyriakidous labb.
Andra medförfattare inkluderar Jeffery J. Urban, Ph.D., chef för Inorganic Nanostructures Facility vid Molecular Foundry av Lawrence Berkeley National Lab, och Chaochao Dun, Ph.D., en postdoktor vid Urbans labb.
Swihart förklarar att torrreformering av metan inte är kommersiellt gångbar med hjälp av befintliga nickelbaserade katalysatorer, som slutar fungera eftersom deras katalytiskt aktiva partiklar blir täckta med kolavlagringar (koksning) eller kombineras till större, mindre aktiva partiklar (sintring). De mest lovande katalysatorerna kräver också komplexa produktionsprocedurer.
För att komma till rätta med detta problem utvecklade forskargruppen en aerosolprocess i ett steg för att tillverka lågkostnads- och högpresterande katalysatorer. Processen är baserad på en unik flamreaktor utvecklad i Swiharts labb.
Teamet använde reaktorn för att skapa små sfäriska partiklar som kallas nanoskal som motstår både koksning och sintring.
I Chem Catalysis studien rapporterade teamet att under loppet av 500 timmar förblev katalysatorerna effektiva och omvandlade 98 % av metan till syntetisk gas, eller syngas, som är en blandning av väte och kolmonoxid som sedan kan användas för att producera en mängd olika kemiska produkter.
I en andra studie använde teamet reaktorn för att producera ett nytt mesoporöst kiseldioxidmaterial som har en yta som överstiger 1 000 kvadratmeter per gram. Teamet skapade också en metod för att deponera nickel eller andra nanopartiklar i den mesoporösa kiseldioxiden – en process som kallas in-situ deposition.
Som rapporterats i Angewandte Chemie , omvandlade den mesoporösa kiseldioxidkatalysatorn 97 % metan i över 200 timmar.
Detta framsteg, säger Swihart, ger en väg inte bara till förbättrade katalysatorer för torrreformering av metan, utan för många andra miljömässigt och ekonomiskt fördelaktiga reaktioner. + Utforska vidare
