Forscher der University of Central Florida wandeln Methan in Energie und Wertstoffe um. Der Fortschritt in der Methannutzungstechnologie ist der Zusammenarbeit zwischen der Nanotechnologin Laurene Tetard und dem Katalyseexperten Richard Blair zu verdanken. Es wurden innovative Methoden entwickelt, um Methan, ein starkes Treibhausgas, für diesen Zweck zu nutzen. Diese Technik nutzt sichtbares Licht und spezielle Katalysatoren, um aus Methan Wasserstoff zu erzeugen, ohne Kohlenstoff freizusetzen. Die Technologie ermöglicht zudem die Erzeugung präziser Kohlenstoffstrukturen in sehr kleinem Maßstab, die für viele wertvolle Anwendungen genutzt werden können.
Zwei Forscher der University of Central Florida (UCF) haben innovative Verfahren zur Energiegewinnung und Materialherstellung aus dem schädlichen Treibhausgas Methan entwickelt. Die neue UCF-Innovation ermöglicht die Nutzung von Methan zur Produktion grüner Energie . Dies wird die Entwicklung leistungsstarker Materialien für Biotechnologie, intelligente Geräte, Solarzellen und weitere Anwendungen fördern . Die Nanotechnologin Laurene Tetard und der Katalyseexperte Richard Blair arbeiten seit zehn Jahren an der UCF zusammen und haben dabei eine Reihe innovativer Erfindungen hervorgebracht.
Laurene Tetard ist außerdem außerordentliche Professorin und stellvertretende Leiterin des Fachbereichs Physik an der UCF sowie Forscherin am NanoScience Technology Center. Richard Blair ist Forschungsprofessor am Florida Space Institute der UCF.
Laut der US-Umweltschutzbehörde hat Methan über einen Zeitraum von 28 Jahren einen 100-mal größeren Einfluss auf die Erdatmosphäre als Kohlendioxid, ein weiteres bedeutendes Treibhausgas. Methan kann mehr Strahlung einfangen, obwohl es im Vergleich zu Kohlendioxid eine kürzere Lebensdauer in der Atmosphäre hat. Wesentliche Faktoren für die Freisetzung von Methan in die Atmosphäre sind Energie- und Industrieaktivitäten, landwirtschaftliche Praktiken und das Vorhandensein von Mülldeponien.
Starke Zusammenarbeit
Als erfahrene Forschungspartner sind Tetard und Blair mit dem altbekannten Sprichwort bestens vertraut: „Wenn man es beim ersten Mal nicht schafft, muss man es immer wieder versuchen.“
Tetard sagte: „Es dauerte eine Weile, bis wir wirklich spannende Ergebnisse erzielten. Anfangs funktionierte ein Großteil der Charakterisierung, die wir versuchten, nicht so, wie wir es uns vorgestellt hatten. Wir haben uns unzählige Male zusammengesetzt, um rätselhafte Beobachtungen zu diskutieren.“
Doch sie gaben nicht auf, und ihre unerschütterliche Entschlossenheit wurde schließlich mit neuen Innovationen belohnt. „Richard hat unzählige Ideen, wie man Probleme lösen kann. So finden wir irgendwann immer etwas, das funktioniert“, fügte Tetard hinzu.
Einführung eines verbesserten und umweltfreundlicheren Ansatzes für die Wasserstoffproduktion
Die ursprüngliche Erfindung beinhaltet einen innovativen Ansatz zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen wie Methan, wobei die Freisetzung von Kohlenstoffgas vermieden wird.
Die Innovation konzentriert sich auf die Nutzung von sichtbarem Licht, beispielsweise von Lasern, Lampen oder Solarquellen, sowie auf defektmodifizierte, borreiche Photokatalysatoren. Dieser Ansatz demonstriert die bemerkenswerten Fähigkeiten von Nanomaterialien und ermöglicht die Gewinnung und Umwandlung von Kohlenwasserstoffen wie Methan mithilfe von sichtbarem Licht. Defektmodifizierung bezeichnet die Herstellung von Materialien mit unregelmäßigen Strukturen.
Bei Reaktionen mit herkömmlichen Katalysatoren bei höheren Temperaturen entstehen häufig bestimmte Verunreinigungen wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder höhermolekulare aromatische Verbindungen. Der von der UCF entwickelte Wasserstoff ist jedoch frei von diesen Verunreinigungen.
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Forscher wandeln Methan in Energie und nützliche, reine Materialien um. Diese Entwicklung birgt das Potenzial, die Kosten für Katalysatoren in der Energieerzeugung zu senken, die photokatalytische Umwandlung im sichtbaren Bereich zu verbessern und die Nutzung von Solarenergie für die Katalyse zu optimieren. Mögliche Anwendungen von Wasserstoff umfassen die großtechnische Methanabscheidung und -umwandlung sowie den Einsatz in Solarparks.
Richard Blair sagte: „Diese Erfindung ist eigentlich ein doppelter Gewinn. Man erhält grünen Wasserstoff und entfernt – nicht wirklich abscheidet – Methan. Man verarbeitet Methan zu reinem Wasserstoff und reinem Kohlenstoff, der beispielsweise für Batterien verwendet werden kann.“
Seinen Angaben zufolge wurden traditionell Methan und Wasser zusammen mit hohen Temperaturen zur Wasserstofferzeugung verwendet. Bei diesem Verfahren wird jedoch neben Wasserstoff auch Kohlendioxid freigesetzt.
Blair fügte hinzu: „Unser Verfahren wandelt das Treibhausgas Methan in etwas um, das kein Treibhausgas ist, sowie in zwei wertvolle Produkte: Wasserstoff und Kohlenstoff. Und wir haben Methan aus dem Kreislauf entfernt.“
Es wurde beobachtet, dass das Exolith Lab an der UCF erfolgreich die Kraft des Sonnenlichts nutzte, um aus Methangas Wasserstoff zu erzeugen. Dies wurde durch den Einsatz eines leistungsstarken Solarkonzentrators ermöglicht. Der Autor schlägt vor, dass Länder ohne reichlich vorhandene Energiequellen diese Erfindung nutzen könnten, indem sie Methan und Sonnenlicht verwenden. Methan kommt unter anderem auf Mülldeponien, in Industrie- und Landwirtschaftsgebieten sowie in Kläranlagen vor, aber auch in Erdöl- und Erdgasförderanlagen.
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Herstellung von Kohlenstoff-Nano- oder Mikrostrukturen ohne Verunreinigungen
Die Technologie von Tetard und Blair erzeugt präzise Kohlenstoffstrukturen im Nano- und Mikrometerbereich mithilfe von Licht und einem gezielt veränderten Photokatalysator. Beispiele hierfür sind Kohlenmonoxid, Ethan, Methan, Propan und Propen.
Laurene Tetard sagte: „Es ist, als hätte man einen 3D-Drucker für Kohlenstoff anstelle eines 3D-Druckers für Polymere. Mit einem solchen Werkzeug könnten wir vielleicht sogar Kohlenstoffgerüste entwickeln, die heute noch unmöglich sind. Der Traum ist es, Hochleistungs-Kohlenstoffmaterialien aus Methan herzustellen, was derzeit noch nicht sehr gut gelingt.“
„Diese Erfindung wäre also ein Weg, solche Materialien aus Methan auf nachhaltige Weise in großem industriellem Maßstab herzustellen“, fügte Blair hinzu.
Die hergestellten Kohlenstoffstrukturen sind klein und gut strukturiert , was eine präzise Anordnung mit exakten Größen und Mustern ermöglicht. Blair sagte: „Jetzt sprechen wir von hochpreisigen Anwendungen, beispielsweise für medizinische Geräte oder neuartige chemische Sensoren. Dies wird zu einer Plattform für die Entwicklung aller möglichen Produkte. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nur durch die Vorstellungskraft begrenzt.“
Forscher wandeln Methan in Energie und nützliche Materialien um, doch es sind noch einige Anpassungen nötig. Die Designmethoden bieten das Potenzial, verschiedene Laser oder Sonnenlicht zu nutzen, da der Wachstumsprozess bei unterschiedlichen Wellenlängen gesteuert werden kann. Tetards Labor arbeitet an der Verkleinerung der Anlage. Tetard erklärte: „Wir versuchen, aus dem Prozess zu lernen und ihn auch in noch kleineren Maßstäben nutzbar zu machen – das Licht in einem winzigen Volumen zu kontrollieren.“
„Aktuell sind die Strukturen im Mikrometerbereich, da das von uns erzeugte Lichtfokusvolumen ebenfalls im Mikrometerbereich liegt.“ Wenn wir also das Licht in einem winzigen Volumen kontrollieren können, könnten wir vielleicht nanometergroße Objekte für strukturierte Nanostrukturen herstellen, die tausendmal kleiner sind. Das ist etwas, was wir in Zukunft umsetzen wollen. Und wenn das möglich wird, eröffnen sich uns viele neue Anwendungsmöglichkeiten“, fügte Tetard hinzu.
