Исследователи из Университета Центральной Флориды теперь преобразуют метан в энергию и полезные материалы. Прогресс в технологии утилизации метана произошел благодаря сотрудничеству Лорен Тетар, нанотехнолога, и Ричарда Блэра, эксперта по катализу. Были разработаны инновационные методы использования метана, мощного парникового газа, для этой цели. Эта технология использует видимый свет и специальные катализаторы для получения водорода из метана без выделения углерода. Технология также позволяет создавать точные углеродные структуры в очень малых масштабах, которые могут использоваться во многих ценных приложениях.
Двое исследователей из Университета Центральной Флориды (UCF) успешно разработали инновационные методы получения энергии и материалов из вредного парникового газа — метана. Новое изобретение UCF позволяет использовать метан в производстве экологически чистой энергии . Это также поможет в создании высокоэффективных материалов для биотехнологий, интеллектуальных устройств, солнечных батарей и других устройств. В течение последнего десятилетия нанотехнолог Лорен Тетард и эксперт по катализу Ричард Блэр сотрудничали в исследованиях в UCF, результатом чего стал ряд инновационных изобретений.
Лорен Тетард также является доцентом и заместителем заведующего кафедрой физики в UCF, а также научным сотрудником Центра нанотехнологий. Ричард Блэр — профессор-исследователь в Космическом институте Флориды при UCF.
По данным Агентства по охране окружающей среды США, метан оказывает в 28 раз большее воздействие на атмосферу Земли, чем углекислый газ, другой значительный парниковый газ, за 100-летний период. Метан способен улавливать больше радиации, хотя его продолжительность жизни в атмосфере короче, чем у углекислого газа. Значительный вклад в выбросы метана в атмосферу вносят энергетика и промышленная деятельность, сельскохозяйственная практика и наличие свалок.
Крепкое сотрудничество
Как опытные научные сотрудники, Тетард и Блэр хорошо знакомы со старой поговоркой: «Если с первого раза не получилось, пробуй снова и снова».
Тетард сказал: «Потребовалось некоторое время, чтобы получить действительно впечатляющие результаты. Вначале многие из методов характеристики, которые мы пытались использовать, не работали так, как нам хотелось. Мы много раз садились и обсуждали загадочные наблюдения».
Однако они неустанно продолжали свою работу, и их непоколебимая решимость в конечном итоге вознаградила их новыми инновациями. «У Ричарда миллион разных идей о том, как решить проблемы. Поэтому в конце концов мы находили что-то, что работало», — добавил Тетард.
Представляем усовершенствованный и более экологичный подход к производству водорода
Первоначальное изобретение представляет собой инновационный подход к получению водорода из углеводородов , таких как метан, при одновременном исключении выброса углекислого газа.
Инновация основана на использовании видимого света, например, лазеров, ламп или солнечных источников, и фотокатализаторов, обогащенных бором и обладающих дефектной структурой. Этот подход демонстрирует замечательные возможности наноматериалов, позволяя улавливать и преобразовывать углеводороды, такие как метан, с помощью видимого света. Дефектная инженерия подразумевает создание материалов с нерегулярной структурой.
В процессе реакции на обычных катализаторах при высоких температурах обычно образуются определенные примеси, такие как диоксид углерода, монооксид углерода или полиароматические соединения более высокой степени окисления. Однако водород, полученный с помощью изобретения Университета Центральной Флориды, не содержит этих примесей.
См. также : Что такое гидрогенизированный аморфный кремний?
Таким образом, исследователи преобразуют метан в энергию и полезные материалы, свободные от примесей. Разработка таких технологий потенциально может снизить стоимость катализаторов , используемых в производстве энергии, повысить фотокаталитическое преобразование в видимом диапазоне и оптимизировать использование солнечной энергии для катализа. Возможные области применения водорода на рынке включают крупномасштабные проекты по улавливанию и преобразованию метана, а также использование в солнечных электростанциях.
Ричард Блэр сказал: «Это изобретение — фактически двойная выгода. Вы получаете экологически чистый водород и удаляете — не то чтобы утилизируете — метан. Вы перерабатываете метан в водород и чистый углерод, который можно использовать, например, для батарей».
По его словам, метан и вода, наряду с высокими температурами, традиционно использовались в производстве водорода. Но этот процесс, помимо производства водорода, приводит к выбросам углекислого газа.
Блэр добавил: «В нашем процессе парниковый газ, метан, превращается в вещество, не являющееся парниковым газом, а также в два ценных продукта: водород и углерод. При этом метан исключается из цикла».
Было отмечено, что лаборатория Exolith в Университете Центральной Флориды успешно использовала энергию солнечного света для получения водорода из метана, что стало возможным благодаря внедрению надежной системы солнечного концентратора. Он предполагает, что страны, не обладающие обильными источниками энергии, могли бы использовать это изобретение, применяя метан и солнечный свет. Метан присутствует в таких местах, как свалки, промышленные и сельскохозяйственные районы, очистные сооружения сточных вод, а также в системах добычи нефти и природного газа.
Знаете ли вы, что южноафриканские исследователи используют экологически чистый водород для производства свалочного газа?
Производство углеродных нано- или микроструктур без загрязнений
Технология Тетарда и Блэра позволяет создавать точные углеродные структуры на нано- и микроуровне с помощью света и фотокатализатора с модифицированными дефектами. В качестве примеров можно привести монооксид углерода, этан, метан, пропан и пропен.
Лорен Тетард сказала: «Это как иметь углеродный 3D-принтер вместо полимерного. Если у нас будет такой инструмент, то, возможно, мы даже сможем разработать конструкции углеродных каркасов, которые сегодня невозможны. Мечта состоит в том, чтобы создавать высокоэффективные углеродные материалы из метана, что в настоящее время делается не очень хорошо».
«Таким образом, это изобретение позволит производить подобные материалы из метана экологически чистым способом в больших промышленных масштабах», — добавил Блэр.
Полученные углеродные структуры имеют небольшие размеры и хорошо структурированы , что позволяет точно располагать их с заданными размерами и рисунками. Блэр сказал: «Теперь речь идет о дорогостоящих применениях, возможно, в медицинских приборах или новых химических датчиках. Это становится платформой для разработки самых разных продуктов. Возможности применения ограничены только вашей фантазией».
Исследователи преобразуют метан в энергию и полезные материалы, но всё ещё требуются некоторые доработки. Методы проектирования потенциально могут включать в себя использование различных лазеров или солнечного излучения, поскольку процесс роста можно регулировать на разных длинах волн, а лаборатория Тетарда пытается уменьшить размеры. Тетард сказал: «Мы пытаемся придумать способ извлечь уроки из этого процесса и посмотреть, как мы могли бы заставить его работать даже в меньших масштабах — контролировать свет в крошечном объеме».
«Сейчас размеры структур микроскопические, потому что создаваемый нами фокусный объем света имеет микроскопические размеры. Поэтому, если мы сможем контролировать свет в крошечном объеме, возможно, мы сможем выращивать наноразмерные объекты для создания структурированных наноструктур, которые будут в тысячу раз меньше. Это то, что мы планируем реализовать в будущем. И если это станет возможным, у нас появится много возможностей для этого», — добавил Тетард.
Исследователи из Университета Центральной Флориды разработали новую технологию для переработки парниковых газов в энергию и материалы.
