Zamknęli błyskawicę w reaktorze i powstało ekologiczne paliwo przyszłości

Chemicy z Northwestern University w USA dokonali przełomowego odkrycia, które może zmienić sposób produkcji jednego z najważniejszych paliw i surowców chemicznych na świecie. Zamiast wieloetapowych, energochłonnych procesów przemysłowych wystarczy kilka mini-błyskawic w szklanej rurce zanurzonej w wodzie.

W badaniu opublikowanym w prestiżowym Journal of the American Chemical Society zespół pod kierunkiem prof. Dayne'a Swearera pokazał, jak za pomocą impulsów wysokiego napięcia generujących zimną plazmę bezpośrednio przekształcić metan w metanol. Proces jest zaskakująco prosty.

Otóż porowata szklana rurka pokryta tlenkiem miedzi (CuO) jest zanurzona w wodzie. Przez rurkę przepuszczany jest metan (główny składnik gazu ziemnego), rozcieńczony argonem. Gdy na elektrody podawane są krótkie impulsy wysokiego napięcia, wewnątrz rurki powstaje zimna plazma, która wygląda jak mini-błyskawice. "Gorące" elektrony rozbijają stabilne wiązania C-H w metanie, a powstałe reaktywne fragmenty łączą się z cząsteczkami wody na powierzchni katalizatora, tworząc metanol.

Produkt natychmiast rozpuszcza się w wodzie, co zapobiega jego dalszemu utlenianiu do CO2. Całość działa w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, w przeciwieństwie do klasycznej metody, która wymaga 250-300°C i ciśnienia 50-100 bar (a starsze procesy nawet 200-300 bar).

Naukowcy osiągnęli selektywność metanolu w fazie ciekłej na poziomie 96,8 proc., a ogólny udział metanolu wśród wszystkich produktów wynosi około 57 proc. Dodatkowo proces wytwarza cenne produkty uboczne, takie jak wodór (paliwo zeroemisyjne), etylen (surowiec do plastików) oraz niewielkie ilości propanu. "Używamy impulsów wysokiego napięcia. Gdy potencjał elektryczny jest wystarczająco wysoki, wewnątrz reaktora tworzą się błyskawice, tak jak podczas letniej burzy. Wykorzystujemy tę chemię, żeby rozbić wiązania metanu bez ogrzewania całego systemu do ekstremalnych temperatur" - wyjaśnia Dayne Swearer.

Warto tutaj mocno podkreślić, że etanol to kluczowy surowiec chemiczny, który służy do produkcji tworzyw sztucznych, farb, klejów, a także jako paliwo m.in. w żegludze. Tradycyjna produkcja z gazu ziemnego jest jednak niezwykle energochłonna i generuje ogromne ilości CO2. Nowa metoda jest zelektryfikowana, może działać w małych, rozproszonych instalacjach i wykorzystywać nawet metan z wycieków (np. z odwiertów czy gazociągów), który dziś często po prostu się spala w pochodniach.

"Moglibyśmy zabrać mały reaktor w miejsce, gdzie metan ucieka do atmosfery, i zamienić go w transportowalne płynne paliwo zamiast zamieniać go w dwutlenek węgla" - podkreśla Swearer. Na razie to demonstracja laboratoryjna. Naukowcy planują dalszą optymalizację i efektywne oddzielanie metanolu.

Zużycie energii wynosi obecnie ok. 46,7 kWh na kg metanolu. Jest to wynik konkurencyjny jak na proces zelektryfikowany, ale wciąż wymagający dopracowania pod kątem skali przemysłowej. Niemniej jednak badanie pokazuje, że plazma, która stanowi ponad 99 proc. materii we wszechświecie, może stać się praktycznym narzędziem chemii zrównoważonej.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 91 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!