Ett par forskare från University of Central Florida har utvecklat nya metoder för att producera energi och material från den skadliga växthusgasen metan.
Pund för pund är den jämförande påverkan av metan på jordens atmosfär 28 gånger större än koldioxid – en annan stor växthusgas – under en 100-årsperiod, enligt U.S. Environmental Protection Agency.
Detta beror på att metan är effektivare för att fånga in strålning, trots att den har en kortare livslängd i atmosfären än koldioxid.
Viktiga källor till metanutsläpp är energi och industri, jordbruk och deponier.
De nya UCF-innovationerna gör att metan kan användas i grön energiproduktion och för att skapa högpresterande material för smarta enheter, bioteknik, solceller med mera.
Uppfinningarna kommer från nanoteknologen Laurene Tetard och katalysexperten Richard Blair, som har varit forskningssamarbetare vid UCF de senaste 10 åren.
Tetard är docent och biträdande ordförande vid UCF:s institution för fysik och forskare vid NanoScience Technology Center, och Blair är forskningsprofessor vid UCF:s Florida Space Institute.
Den första uppfinningen är en metod för att framställa väte från kolväten, såsom metan, utan att frigöra kolgas.
Genom att använda synligt ljus – som en laser, lampa eller solkälla – och defektkonstruerade borrika fotokatalysatorer, lyfter innovationen fram en ny funktionalitet hos material i nanoskala för synligt ljusstödd infångning och omvandling av kolväten som metan. Defektteknik syftar på att skapa oregelbundet strukturerade material.
UCF-uppfinningen producerar väte som är fritt från föroreningar, såsom högre polyaromatiska föreningar, koldioxid eller kolmonoxid, som är vanliga i reaktioner som utförs vid högre temperaturer på konventionella katalysatorer.
Utvecklingen kan potentiellt sänka kostnaden för katalysatorer som används för att skapa energi, möjliggöra mer fotokatalytisk omvandling i det synliga området och möjliggör mer effektiv användning av solenergi för katalys.
Marknadstillämpningar inkluderar möjlig storskalig produktion av väte i solgårdar och infångning och omvandling av metan.
"Denna uppfinningen är faktiskt en tvåa," säger Blair. "Du får grönt väte, och du tar bort - egentligen inte bindande - metan. Du bearbetar metan till bara väte och rent kol som kan användas till saker som batterier."
Han säger att traditionell väteproduktion använder höga temperaturer med metan och vatten, men förutom väte genererar den processen också koldioxid.
"Vår process tar en växthusgas, metan och omvandlar den till något som inte är en växthusgas och två saker som är värdefulla produkter, väte och kol," säger Blair. "Och vi har tagit bort metan från kretsloppet."
Han noterade att de vid UCF:s Exolith Lab kunde generera väte från metangas med solljus genom att sätta systemet på en stor solkoncentrator.
Han vet detta och säger att länder som inte har rikliga kraftkällor skulle kunna använda uppfinningen eftersom allt de behöver är metan och solljus.
Förutom olje- och naturgassystem finns metan i deponier, industri- och jordbruksområden och reningsanläggningar för avloppsvatten.
Denna teknik utvecklad av Tetard och Blair är en metod för att producera strukturer i nanoskala och mikroskala med kontrollerade dimensioner. Den använder ljus och en defektkonstruerad fotokatalysator för att göra mönstrade, väldefinierade strukturer i nanoskala och mikroskala från många kolkällor. Exempel inkluderar metan, etan, propan, propen och kolmonoxid.
"Det är som att ha en kol 3D-skrivare istället för en polymer 3D-skrivare," säger Tetard. "Om vi har ett sådant här verktyg, så kanske det till och med finns några konstruktioner av kolställningar vi kan komma på som är omöjliga idag."
Blair säger att drömmen är att göra högpresterande kolmaterial av metan, vilket för närvarande inte görs särskilt bra just nu, säger han.
"Så den här uppfinningen skulle vara ett sätt att göra sådana material från metan på ett hållbart sätt i stor industriell skala", säger Blair.
Kolstrukturerna som produceras är små men välstrukturerade och kan ordnas exakt, med exakta storlekar och mönster.
"Nu pratar du höga dollarapplikationer, kanske för medicinsk utrustning eller nya kemiska sensorer," säger Blair. "Detta blir en plattform för att utveckla alla möjliga produkter. Applikationen begränsas bara av fantasin."
Eftersom tillväxtprocessen är avstämbar vid olika våglängder, kan designmetoder innefatta olika lasrar eller solbelysning.
Tetards labb, som arbetar på nanoskala, försöker nu minska storleken.
"Vi försöker komma på ett sätt att lära av processen och se hur vi kan få den att fungera även i mindre skalor – kontrollera ljuset i en liten volym", säger hon.
"Just nu är storleken på strukturerna mikroskalig eftersom den ljusa fokalvolymen vi skapar är mikrostorlek", säger hon. "Så, om vi kan kontrollera ljuset i en liten volym, kanske vi kan odla objekt i nanostorlek för mönstrade nanostrukturer tusen gånger mindre. Det är något vi funderar på att implementera i framtiden. Och sedan, om det blir möjligt, det finns många saker vi kan göra med det."
Forskarnas bättre, renare teknik för att producera väte var faktiskt inspirerad av en tidigare innovativ metod av dem som gör kol från defektkonstruerad bornitrid med hjälp av synligt ljus.
De upptäckte ett nytt sätt att producera kol och väte genom en kemisk krackning av kolväten med energi som tillförs genom synligt ljus koppling med en metallfri katalysator, defektkonstruerad bornitrid.
Jämfört med andra metoder är det bättre eftersom det inte kräver betydande energi, tid eller speciella reagenser eller prekursorer som lämnar föroreningar.
Allt som finns kvar är kol och några spår av bor och kväve, varav inget är giftigt för människor eller miljön.
Den fotokemiska transformationstekniken lämpar sig för många applikationer, inklusive sensorer eller nya komponenter för nanoelektronik, energilagring, kvantenheter och produktion av grönt väte.
Eftersom mångåriga forskningssamarbetspartner Tetard och Blair är alltför bekanta med det gamla talesättet, "Om du först inte lyckas, försök, försök igen."
"Det tog ett tag att få några riktigt spännande resultat," säger Tetard. "I början fungerade mycket av karaktäriseringen som vi försökte göra inte som vi ville. Vi satte oss ner för att diskutera förbryllande observationer så många gånger."
Ändå plöjde de framåt, och deras uthållighet lönade sig med sina nya uppfinningar.
"Richard har en miljon olika idéer om hur man löser problem", säger Tetard. "Så till slut skulle vi hitta något som fungerar."
Hon och Blair slog sig samman kort efter mötet 2013 på UCF:s fysikavdelning. Blair hade precis upptäckt katalytiska egenskaper i den kemiska föreningen bornitrid som var "okända" och ville publicera informationen och forska mer.
Han hade en samarbetspartner för teoretisk modellering, Talat Rahman, en framstående Pegasus-professor vid institutionen för fysik, men han behövde någon som hjälpte till att karakterisera resultaten.
"På karaktäriseringsnivån är det inte där min styrka ligger", säger han. "Jag har styrkor som kompletterar Laurenes styrkor. Det var vettigt att se om vi kunde göra något tillsammans och om hon kunde lägga till lite insikt till det vi såg."
Så, i samarbete med Rahman och U.S. National Science Foundation, hoppades de få en molekylär förståelse av de katalytiska egenskaperna defektladdade, hexagonal (kristallstrukturerad) bornitrid, en metallfri katalysator.
Typiska katalysatorer består ofta av metaller, och bornitrid, ibland kallad "vit grafit", har haft många industriella användningsområden på grund av dess hala egenskaper, men inte för katalys.
"Tills vi kom, ansågs den typen av bornitrid bara vara inert", säger Blair. "Kanske ett smörjmedel, kanske för kosmetika. Men det hade ingen kemisk användning. Men med defekt ingenjörskonst fann forskargruppen att föreningen hade stor potential för att producera kol och grönt väte, möjligen i stora volymer."
Tekniken som teamet utvecklade för att tillverka kol från defektkonstruerad bornitrid med hjälp av synligt ljus kom oväntat.
Blair säger att för att analysera katalysatorns yta skulle de placera den i en liten behållare, trycksätta den med en kolvätegas, såsom propen, och sedan exponera den för laserljus.
"Varje gång gjorde det två saker som var frustrerande", säger han. "Katalysatorn i sig avgav ljus som döljde all data vi behövde, och studenten sa hela tiden "den bränns" och jag skulle säga att det är omöjligt. Det finns inget kol på katalysatorn."
"Och det fanns inget syre," tillägger Tetard. De var chockade.
"Om vi ville studera den där brinnplatsen behövde den vara större", säger hon.
När de väl lyckats producera ett större prov satte de det under elektronmikroskopet.
"Vi började se några linjer, men det är ett löst, rörigt puder, så det borde inte beställas," sa Tetard. "Men när vi zoomade in lite mer såg vi lite kol och mycket av det, med det defektkonstruerade bornitridpulvret som klängde fast vid toppen av det."
Det som sågs som ett problem var i själva verket obehagligt, eftersom upptäckten skulle möjliggöra väteproduktion vid låga temperaturer och produktion av kol som en biprodukt utan utsläpp av växthusgaser eller föroreningar.
Tillhandahålls av University of Central Florida
