Redukcja metanu, drugiego najważniejszego gazu cieplarnianego spędza sen z powiek osobom, które chcą przeciwdziałać globalnemu ociepleniu. Walka z nim jest trudna, ponieważ próby rozłożenia go, potencjalnie stwarzają ryzyko wybuchu. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Iowa w USA wynaleźli, a następnie przetestowali rewolucyjną technologię katalizatora, która może pomóc w walce o redukcję stężenia metanu w atmosferze.
Sposób pozwalający na wykorzystanie tego gazu i zmniejszenie jego zawartość w powietrzu wydaje się być bezpieczny. Metoda katalizatora opracowana przez Yue Wu i zespół innych badaczy oceniana jest jako wydajna, wartościowa i obiecująca. Fundacja Badawcza Uniwersytetu Stanowego Iowa stara się o patent na tę technologię.
Błędne koło globalnego ocieplenia
Metan (CH4), zaraz po dwutlenku węgla (CO2) jest gazem cieplarnianym o największej mocy sprawczej. Oczywiście, w negatywnym tego słowa znaczeniu. Jak już pisaliśmy, jego cząsteczka jest w stanie utrzymać się w atmosferze przez około 10 lat. CH4 jest z niej usuwany w wyniku reakcji chemicznych (głównie utlenianie do CO2, czyli najważniejszego gazu cieplarnianiego). Im więcej metanu, tym cieplej. I na odwrót – im cieplej, tym więcej metanu. Tworzy się więc błędne koło wzrostu globalnego ocieplenia.
Źródła metanu
Metan może pochodzić ze źródeł naturalnych lub antropogenicznych. Te drugie, związane z działalnością człowieka to przede wszystkim hodowla bydła i innych przeżuwaczy, uprawa ryżu, wysypiska odpadów oraz wydobycie paliw kopalnych. Szczególnie dużo CH4 uwalnia się podczas wydobywania gazu ziemnego i ropy naftowej. Spalanie biomasy, np. pożary lasów jest klasyfikowane jako częściowo naturalne, a częściowo antropogeniczne. Naturalnie metan uwalniany jest z mokradeł – bagien i torfowisk, jezior oraz gleby.
Osobom zainteresowanym szczegółowymi informacjami polecamy artykuł, który stanowi swego rodzaju kompendium wiedzy o metanie.
Naukowcy znaleźli wydajną i bezpieczną technologię redukcji metanu
Wiązania między atomem węgla, a atomami wodoru są silne, a co za tym idzie – bardzo trudne do przerwania. Wymaga to wysokich temperatur i stwarza ryzyko wybuchu. Ponadto, dotychczasowe metody jego unieszkodliwienia, generują powstawanie dwutlenku węgla. Zazwyczaj wiąże się to z mieszaniem łatwopalnego gazu z tlenem w celu wytworzenia gazu syntezowego. To kosztowne, wymagające odpowiednich warunków termicznych i potencjalnie wybuchowe. Inne reakcje konwersji nie są bardzo wydajne i również wytwarzają najobficiej występujący gaz cieplarniany, CO2.
Jak doszło do wynalezienia innowacyjnej metody? Co sprawia, że najnowsza technologia katalizatora może być przełomem w radzeniu sobie z uciążliwym metanem?
Sukces przez porażkę
Grupa badawcza zaczęła badać węgliki (kombinacje węgla i metali) około 5 lat temu przy wsparciu Biura Badań Morskich. Pierwotna praca polegała na identyfikacji właściwości elektrycznych i termicznych różnych węglików. Jednak badania nie przebiegły zgodnie z oczekiwaniami – przewodność cieplna materiału była znacznie niższa, niż przewidywano.
– Można to uznać za porażkę – powiedział Yue Wu.
Efekt końcowy okazał się jednak pozytywnym zaskoczeniem. Naukowcy odkryli bowiem, że powierzchnie tajemniczych MXenów (konstrukcje z węglików metali zwanych „MXenes”) są bardzo aktywne i zdolne do absorbowania wielu cząsteczek. W ten oto sposób, przy wsparciu profesury Wu Stilesa i Uniwersytetu Stanowego Iowa, grupa badawcza Wu rozpoczęła badanie tychże MXenów jako potencjalnego katalizatora.
– Nigdy nie widzieliśmy tak aktywnego węglika. Zazwyczaj jest obojętny. Używa się go na przykład do wierteł szybkoobrotowych – powierzchnia jest twarda i obojętna – tłumaczy Wu.
Ultracienkie warstwy
Katalizator składa się z jednej lub dwóch ultracienkich warstw platyny. Każda z warstw ma grubość zaledwie jednego atomu. Są one osadzone na dwuwymiarowych konstrukcjach z węglików metali zwanych MXenami. W tym przypadku konstrukcje wykonane są z węgla, molibdenu i tytanu.
Katalizator z mniejszej ilości platyny
Jak wyjaśnił Wu, jego grupa badawcza odkryła, że cienkie warstwy zasadniczo umożliwiają wykorzystanie każdego atomu platyny jako katalizatora. Zapobiegają też tworzeniu się pozostałości, które pokrywają i dezaktywują platynę. Oznacza to, że do wytworzenia katalizatora potrzeba zdecydowanie mniej platyny.
Naukowcy zaczęli wykorzystywać tę technologię do usuwania wodoru z gazu łupkowego (gazu ziemnego znajdującego się w skałach łupkowych). Prace te ewoluowały w celu zbadania innych reakcji z udziałem gazu ziemnego.
– Nikt wcześniej nie próbował używać tych węglików w reakcjach o dużej objętości – powiedział Wu.
Katalizator umożliwia przekształcenie metanu w etan lub etylen, będące dwoma głównymi prekursorami nowoczesnego przemysłu petrochemicznego.
Metan przetworzony na żywicę
Kluczem do konwersji metanu w etan/etylen jest sprawienie, żeby węgliki i powierzchnie były wystarczająco czyste, aby wspierać reakcje. Jeśli wszystko przebiega pomyślnie, reakcje te wykazują około 7-procentową konwersję metanu z około 95-procentową selektywnością w stosunku do etanu/etylenu w stale pracującym reaktorze ze złożem stałym. Produkty mogą być przetwarzane na tworzywa sztuczne i żywice, np. w powszechnie stosowany i wszechobecny plastik polietylenowy.
Rewolucyjna technologia redukcji metanu
Podczas ubiegłorocznego szczytu w Glasgow – COP26 – ponad sto państw zobligowało się do redukcji emisji metanu o 30 proc. w 2030 r. względem roku 2020. Była to dobrowolna inicjatywa USA i Unii Europejskiej w celu zapobiegania postępującemu globalnemu ociepleniu. Chiny, Rosja, India, Iran jako najwięksi emiterzy CH4 nie byli chętni do wzięcia udziału w przedsięwzięciu.
Co pozytywne, dołączyły do niego m.in. USA, Brazylia, Indonezja, Nigeria, Meksyk i Pakistan. Nowa technologia katalizatora może przyspieszyć ich wysiłki i pomóc zmniejszyć ilość tego gazu w atmosferze. Wu nazywa tę technologię rewolucyjną, mówiąc, że „otwiera w przyszłości drogę do ograniczenia emisji metanu i produktu jego spalania, CO2”.
Źródło: „Catalyst technology converts methane greenhouse gas into useful, valuable chemicals„
–
Zdjęcie tytułowe: Shutterstock/Alexisay
