Par istraživača Univerziteta Centralne Floride razvio je nove metode za proizvodnju energije i materijala od štetnog gasa staklene bašte, metana.
Uporedni uticaj metana na Zemljinu atmosferu je 28 puta veći od ugljen-dioksida – još jednog velikog gasa staklene bašte – tokom perioda od 100 godina, prema američkoj agenciji za zaštitu životne sredine.
To je zato što je metan efikasniji u hvatanju radijacije, uprkos tome što ima kraći životni vek u atmosferi od ugljen-dioksida.
Glavni izvori emisije metana su energetika i industrija, poljoprivreda i deponije.
Nove UCF inovacije omogućavaju da se metan koristi u proizvodnji zelene energije i da se kreiraju materijali visokih performansi za pametne uređaje, biotehnologiju, solarne ćelije i drugo.
Pronalasci potiču od nanotehnologinje Laurene Tetard i stručnjaka za katalizu Ričarda Blera, koji su bili istraživači saradnici na UCF-u poslednjih 10 godina.
Tetard je vanredni profesor i vanredni predsedavajući UCF-ovog Odeljenja za fiziku i istraživač u NanoScience tehnološkom centru, a Bler je profesor istraživanja na UCF-ovom Institutu za svemir na Floridi.
Prvi pronalazak je metoda za proizvodnju vodonika iz ugljovodonika, kao što je metan, bez oslobađanja gasa ugljenika.
Korišćenjem vidljive svetlosti—kao što je laser, lampa ili solarni izvor—i defektno projektovanih fotokatalizatora bogatih borom, inovacija naglašava novu funkcionalnost nanomaterijala za hvatanje uz pomoć vidljive svetlosti i konverziju ugljovodonika kao što je metan. Inženjering defekata se odnosi na stvaranje materijala nepravilnog strukturiranja.
Pronalazak UCF proizvodi vodonik koji ne sadrži zagađivače, kao što su viša poliaromatična jedinjenja, ugljen-dioksid ili ugljen-monoksid, koji su uobičajeni u reakcijama koje se izvode na višim temperaturama na konvencionalnim katalizatorima.
Razvoj potencijalno može smanjiti troškove katalizatora koji se koriste za stvaranje energije, omogućiti više fotokatalitičke konverzije u vidljivom opsegu i omogućiti efikasnije korišćenje solarne energije za katalizu.
Tržišne primene uključuju moguću proizvodnju vodonika velikih razmera u solarnim farmama i hvatanje i konverziju metana.
„Taj izum je zapravo dvojac“, kaže Bler. „Dobijate zeleni vodonik i uklanjate – ne baš sekvester – metan. Prerađujete metan samo u vodonik i čisti ugljenik koji se može koristiti za stvari kao što su baterije.“
On kaže da tradicionalna proizvodnja vodonika koristi visoke temperature sa metanom i vodom, ali osim vodonika, taj proces stvara i ugljen-dioksid.
„Naš proces uzima gas staklene bašte, metan i pretvara ga u nešto što nije gas staklene bašte i dve stvari koje su vredni proizvodi, vodonik i ugljenik“, kaže Bler. „I mi smo uklonili metan iz ciklusa.“
On je primetio da su u Ekolith laboratoriji UCF-a uspeli da generišu vodonik iz gasa metana koristeći sunčevu svetlost stavljanjem sistema na veliki solarni koncentrator.
Znajući to, on kaže da bi zemlje koje nemaju obilne izvore energije mogle da iskoriste pronalazak, jer bi im sve što bi trebalo je metan i sunčeva svetlost.
Pored sistema za naftu i prirodni gas, metan postoji na deponijama, industrijskim i poljoprivrednim područjima, i lokacijama za prečišćavanje otpadnih voda.
Ova tehnologija koju su razvili Tetard i Blair je metoda za proizvodnju ugljeničnih struktura nano i mikrorazmera sa kontrolisanim dimenzijama. Koristi svetlost i fotokatalizator sa defektima da bi napravio uzorkovane, dobro definisane strukture nano i mikrorazmera od brojnih izvora ugljenika. Primeri uključuju metan, etan, propan, propen i ugljen monoksid.
„To je kao da imate karbonski 3D štampač umesto polimernog 3D štampača“, kaže Tetard. „Ako imamo ovakav alat, možda postoje čak i neki dizajni karbonskih skela koje možemo smisliti, a koji su danas nemogući.
Bler kaže da je san da se od metana naprave ugljenični materijali visokih performansi, što trenutno nije dobro urađeno, kaže on.
„Dakle, ovaj pronalazak bi bio način da se takvi materijali od metana naprave na održiv način u velikim industrijskim razmerama“, kaže Bler.
Proizvedene ugljenične strukture su male, ali dobro strukturirane i mogu se precizno rasporediti, sa preciznim veličinama i šarama.
„Sada govorite o aplikacijama koje su vredne novca, možda za medicinske uređaje ili nove hemijske senzore“, kaže Bler. „Ovo postaje platforma za razvoj svih vrsta proizvoda. Aplikacija je ograničena samo maštom.“
Pošto je proces rasta podesiv na različitim talasnim dužinama, metode projektovanja mogu uključiti različite lasere ili solarno osvetljenje.
Tetardova laboratorija, koja radi na nanorazmeri, sada pokušava da smanji veličinu.
„Pokušavamo da smislimo način da učimo iz procesa i vidimo kako bismo mogli da ga nateramo da funkcioniše čak i na manjim razmerama – da kontrolišemo svetlost u maloj količini“, kaže ona.
„Trenutno je veličina struktura mikrorazmera jer je fokalna zapremina svetlosti koju stvaramo mikro veličina“, kaže ona. „Dakle, ako možemo da kontrolišemo svetlost u maloj zapremini, možda bismo mogli da uzgajamo objekte nano veličine za uzorkovane nanostrukture hiljadu puta manje. To je nešto o čemu razmišljamo da primenimo u budućnosti. A onda, ako to postane moguće, ima mnogo stvari koje možemo da uradimo sa tim.“
Bolja, čistija tehnologija za proizvodnju vodonika istraživača je zapravo inspirisana njihovom ranijom inovativnom metodom koja pravi ugljenik od defektno projektovanog bor-nitrida koristeći vidljivu svetlost.
Otkrili su novi način za proizvodnju ugljenika i vodonika kroz hemijsko krekovanje ugljovodonika uz energiju koja se dobija spajanjem vidljive svetlosti sa katalizatorom bez metala, bor-nitridom napravljenim defektima.
U poređenju sa drugim metodama, bolji je jer ne zahteva značajnu energiju, vreme, niti posebne reagense ili prekursore koji ostavljaju nečistoće.
Sve što je ostalo je ugljenik i neki tragovi bora i azota, od kojih nijedan nije toksičan za ljude ili životnu sredinu.
Tehnologija fotohemijske transformacije je pogodna za mnoge primene, uključujući senzore ili nove komponente za nanoelektroniku, skladištenje energije, kvantne uređaje i proizvodnju zelenog vodonika.
Pošto su dugogodišnji istraživači saradnici Tetard i Blair suviše upoznati sa starom izrekom: „Ako u početku ne uspete, pokušajte, pokušajte ponovo“.
„Trebalo je neko vreme da dobijemo neke zaista uzbudljive rezultate“, kaže Tetard. „U početku, veliki deo karakterizacije koju smo pokušali da uradimo nije funkcionisao onako kako smo želeli. Seli smo da razgovaramo o zagonetnim zapažanjima toliko puta.“
Ipak, zaorali su napred, a njihova upornost se isplatila njihovim novim izumima.
„Ričard ima milion različitih ideja o tome kako da reši probleme“, kaže Tetard. „Dakle, na kraju bismo pronašli nešto što funkcioniše.“
Ona i Bler udružili su snage ubrzo nakon sastanka 2013. na odeljenju za fiziku UCF-a. Bler je upravo otkrio katalitička svojstva hemijskog jedinjenja bor nitrida koja su bila „nečuvena“ i želeo je da objavi informacije i uradi dodatna istraživanja.
Imao je saradnika za teorijsko modeliranje, Talata Rahmana, uglednog profesora Pegaza na Odseku za fiziku, ali mu je bio potreban neko ko bi mu pomogao da okarakteriše nalaze.
„Na nivou karakterizacije, tu nije moja snaga“, kaže on. „Imam prednosti koje dopunjuju Lorinine snage. Imalo je smisla videti da li možemo nešto da uradimo zajedno i da li bi ona mogla da doda neki uvid u ono što smo videli.“
Dakle, u saradnji sa Rahmanom i Nacionalnom fondacijom za nauku SAD, nadali su se da će steći molekularno razumevanje katalitičkih svojstava sa defektima, heksagonalnim (kristalno strukturiranim) bor nitridom, katalizatorom bez metala.
Tipični katalizatori se često sastoje od metala, a bor nitrid, koji se ponekad naziva i „beli grafit“, imao je mnoge industrijske upotrebe zbog svojih klizavih svojstava, ali ne i za katalizu.
„Dok nismo došli, ta vrsta borovog nitrida se smatrala samo inertnom“, kaže Bler. „Možda lubrikant, možda za kozmetiku. Ali nije imao nikakvu hemijsku upotrebu. Međutim, sa inženjeringom defekata, istraživački tim je otkrio da jedinjenje ima veliki potencijal za proizvodnju ugljenika i zelenog vodonika, verovatno u velikim količinama.“
Tehnologija koju je tim razvio za pravljenje ugljenika od defektno projektovanog bor-nitrida koristeći vidljivu svetlost došla je neočekivano.
Bler kaže da bi analizirali površinu katalizatora, oni bi ga stavili u mali kontejner, stavili ga pod pritisak ugljovodoničnim gasom, kao što je propen, a zatim bi ga izložili laserskoj svetlosti.
„Svaki put je uradio dve stvari koje su bile frustrirajuće“, kaže on. „Sam katalizator je emitovao svetlost koja je zamaglila sve podatke koji su nam bili potrebni, a student je stalno govorio, ‘gori se’ i rekao bih da je to nemoguće. Nema ugljenika na katalizatoru.
„I nije bilo kiseonika“, dodaje Tetard. Bili su zapanjeni.
„Ako smo hteli da proučimo to zapaljeno mesto, moralo je da bude veće“, kaže ona.
Kada su uspeli da proizvedu veći uzorak, stavili su ga pod elektronski mikroskop.
„Počeli smo da vidimo neke linije, ali to je rastresit, neuredan puder, tako da ga ne bi trebalo naručivati“, rekao je Tetard. „Ali kada smo još malo zumirali, videli smo nešto ugljenika i mnogo toga, sa defektnim bor-nitridnim prahom koji se prilepio na vrh.
Ono što je viđeno kao problem je zapravo bilo slučajno, jer bi otkriće omogućilo proizvodnju vodonika na niskim temperaturama i proizvodnju ugljenika kao nusproizvoda bez oslobađanja gasova staklene bašte ili zagađivača.
