Ett forskningsteam som leds av universitetet i Buffalo utvecklar nya katalysatorer som syftar till att förvandla klimatuppvärmande metanutsläpp till användbara kommersiella produkter.
Verket, som beskrivs förra månaden i Nature Communications , kan påverka många industrier – inklusive naturgas- och råoljeproduktion, boskapsuppfödning, deponi och kolbrytning – där metan är en biprodukt.
"Det finns en möjlighet med metan att göra mer av en omedelbar inverkan för att minska klimatuppvärmande utsläpp. Vi arbetar på en kostnadseffektiv lösning för att förvandla denna industriella biprodukt till värdefulla varor, såsom kemiska råvaror", säger huvudförfattaren Mark T. Swihart, SUNY framstående professor och ordförande för Institutionen för kemi- och biologisk teknik vid UB School of Engineering and Applied Sciences.
Swihart, även SUNY Empire Innovation Professor och fakultetsmedlem i UB:s RENEW Institute, tillade att tekniken har bredare tillämpningar inom halvledare, bioteknik, elektrokemi och andra områden som behöver nya och förbättrade material.
Shuo Liu, en Ph.D. kandidat i Swiharts labb, är första författare till studien. Medförfattare inkluderar Jeffery J. Urban, Ph.D., Chaochao Dun, Ph.D., Jinghua Guo, Ph.D., alla medlemmar av Lawrence Berkeley National Laboratory; Feipeng Yang, Ph.D., som var i Berkeley under experimenten men nu arbetar på Brookhaven National Laboratory; Qike Jiang från Westlake University i Kina; och Zhengxi Xuan, UB Ph.D. student.
Metanavskiljning släpar efter kolavskiljning
Metan är den näst vanligaste växthusgasen och den primära komponenten i naturgas. Det varar bara några decennier i jordens atmosfär jämfört med århundraden för koldioxid, men metan fångar 80 gånger mer värme.
I decennier har forskare kämpat för att utveckla billiga sätt att omvandla metan till användbara produkter utan att producera koldioxid.
En möjlig lösning är torrreformering, en industriell process som kan omvandla både metan och koldioxid till kemiska råvaror, som är råvaror som tillverkarna kan använda för att skapa eller bearbeta andra produkter.
Men torrreformerande metan är inte kommersiellt gångbart eftersom befintliga nickelbaserade katalysatorer slutar fungera när deras katalytiskt aktiva partiklar blir täckta med kolavlagringar (koksning) eller kombineras till större, mindre aktiva partiklar (sintring). De flesta katalysatorer kräver också komplexa produktionsprocedurer.
För att övervinna dessa problem använde teamet en unik flamreaktor utvecklad i Swiharts labb som skapar katalysatorer i ett steg. Denna aerosolbaserade process gjorde det möjligt för forskarna att utforska olika nickelbaserade katalysatorer, som i det här fallet är små sfäriska partiklar som kallas nanoskal.
"Det viktigaste genombrottet är flammaerosolsyntesmetoden", säger Liu. "Det tillåter oss att övervinna traditionella begränsningar och skapa annars otillgängliga material med nya egenskaper."
Metoden producerade sina högst presterande katalysatorer genom vad forskargruppen kallar en "inkapslad exosolution"-process, där nickelnanopartiklar bildas i porerna i ett aluminiumoxidskal snarare än på dess yta. Detta fenomen hjälper till att bygga ett mer stabilt material som i sin tur skapar en mer hållbar katalysator.
I experiment rapporterade teamet att under loppet av 640 timmar vid 800°C förblev katalysatorerna effektiva genom att omvandla 96% av metan och koldioxid till önskade produkter. Resultaten, säger teamet, överträffar dramatiskt konventionella katalysatorer.
Produktionsmetoden föreslår en väg framåt inte bara till förbättrade katalysatorer, utan för andra områden där nya material behövs. Detta inkluderar läkemedelstillförsel, avkänning och detektion, energilagring och omvandling, och beläggningar och ytmodifierare, säger Swihart.
Mer information: Shuo Liu et al, Utmanande termodynamik:kombinera oblandbara element i en enfas nanokeramik, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45413-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University at Buffalo
