Ein Forscherpaar der University of Central Florida hat neue Methoden entwickelt, um Energie und Materialien aus dem schädlichen Treibhausgas Methan zu gewinnen.
Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde sind die Auswirkungen von Methan auf die Erdatmosphäre über einen Zeitraum von 100 Jahren 28-mal größer als die von Kohlendioxid – einem weiteren wichtigen Treibhausgas.
Dies liegt daran, dass Methan Strahlung effizienter einfängt, obwohl es in der Atmosphäre eine kürzere Lebensdauer hat als Kohlendioxid.
Zu den Hauptquellen für Methanemissionen zählen Energie und Industrie, Landwirtschaft und Deponien.
Die neuen UCF-Innovationen ermöglichen die Nutzung von Methan für die Erzeugung grüner Energie und die Herstellung von Hochleistungsmaterialien für intelligente Geräte, Biotechnologie, Solarzellen und mehr.
Die Erfindungen stammen von der Nanotechnologin Laurene Tetard und dem Katalyseexperten Richard Blair, die seit zehn Jahren Forschungsmitarbeiter am UCF sind.
Tetard ist außerordentlicher Professor und außerordentlicher Vorsitzender der Abteilung für Physik der UCF und Forscher am NanoScience Technology Center, und Blair ist Forschungsprofessor am Florida Space Institute der UCF.
Eine bessere, sauberere Technologie zur Herstellung von Wasserstoff
Die erste Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen wie Methan, ohne Kohlenstoffgas freizusetzen.
Durch die Verwendung von sichtbarem Licht – etwa eines Lasers, einer Lampe oder einer Solarquelle – und von Defekten entwickelten, borreichen Photokatalysatoren unterstreicht die Innovation eine neue Funktionalität nanoskaliger Materialien für die durch sichtbares Licht unterstützte Erfassung und Umwandlung von Kohlenwasserstoffen wie Methan. Unter „Defect Engineering“ versteht man die Erzeugung unregelmäßig strukturierter Materialien.
Die UCF-Erfindung erzeugt Wasserstoff, der frei von Verunreinigungen wie höheren polyaromatischen Verbindungen, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid ist, die bei Reaktionen, die bei höheren Temperaturen auf herkömmlichen Katalysatoren durchgeführt werden, häufig vorkommen.
Die Entwicklung kann möglicherweise die Kosten für Katalysatoren zur Energieerzeugung senken, eine stärkere photokatalytische Umwandlung im sichtbaren Bereich ermöglichen und eine effizientere Nutzung von Sonnenenergie für die Katalyse ermöglichen.
Zu den Marktanwendungen gehören die mögliche großtechnische Produktion von Wasserstoff in Solarparks sowie die Abscheidung und Umwandlung von Methan.
„Diese Erfindung ist eigentlich ein Doppelgänger“, sagt Blair. „Man erhält grünen Wasserstoff und entfernt – nicht wirklich binden – Methan. Man verarbeitet Methan nur zu Wasserstoff und reinem Kohlenstoff, der beispielsweise für Batterien verwendet werden kann.“
Er sagt, dass bei der herkömmlichen Wasserstoffproduktion hohe Temperaturen mit Methan und Wasser zum Einsatz kommen, bei diesem Prozess jedoch neben Wasserstoff auch Kohlendioxid entsteht.
„Unser Prozess nimmt ein Treibhausgas, Methan, und wandelt es in etwas um, das kein Treibhausgas ist, und in zwei Dinge, die wertvolle Produkte sind, nämlich Wasserstoff und Kohlenstoff“, sagt Blair. „Und wir haben Methan aus dem Kreislauf entfernt.“
Er wies darauf hin, dass man im Exolith Lab der UCF mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff aus Methangas erzeugen konnte, indem man das System an einen großen Solarkonzentrator anschloss.
Mit diesem Wissen sagt er, dass Länder, die nicht über ausreichend Energiequellen verfügen, die Erfindung nutzen könnten, da sie lediglich Methan und Sonnenlicht benötigen würden.
Neben Öl- und Erdgassystemen kommt Methan auch auf Mülldeponien, in Industrie- und Landwirtschaftsgebieten sowie in Abwasseraufbereitungsanlagen vor.
Wachsende kontaminationsfreie Kohlenstoff-Nano-/Mikrostrukturen
Bei dieser von Tetard und Blair entwickelten Technologie handelt es sich um eine Methode zur Herstellung von Kohlenstoffstrukturen im Nano- und Mikromaßstab mit kontrollierten Abmessungen. Es nutzt Licht und einen durch Defekte erzeugten Photokatalysator, um aus zahlreichen Kohlenstoffquellen strukturierte, wohldefinierte nanoskalige und mikroskalige Strukturen herzustellen. Beispiele hierfür sind Methan, Ethan, Propan, Propen und Kohlenmonoxid.
„Es ist, als hätte man einen Carbon-3D-Drucker anstelle eines Polymer-3D-Druckers“, sagt Tetard. „Wenn wir ein Werkzeug wie dieses haben, können wir vielleicht sogar einige Carbon-Gerüstkonstruktionen entwickeln, die heute unmöglich sind.“
Blair sagt, der Traum bestehe darin, Hochleistungs-Kohlenstoffmaterialien aus Methan herzustellen, was derzeit noch nicht sehr gut umgesetzt werde, sagt er.
„Diese Erfindung wäre also eine Möglichkeit, solche Materialien auf nachhaltige Weise im großen industriellen Maßstab aus Methan herzustellen“, sagt Blair.
Die erzeugten Kohlenstoffstrukturen sind klein, aber gut strukturiert und können präzise mit präzisen Größen und Mustern angeordnet werden.
„Jetzt sprechen Sie von teuren Anwendungen, vielleicht für medizinische Geräte oder neue chemische Sensoren“, sagt Blair. „Dies wird zu einer Plattform für die Entwicklung aller Arten von Produkten. Der Anwendung sind nur durch die Vorstellungskraft Grenzen gesetzt.“
Da der Wachstumsprozess bei verschiedenen Wellenlängen abstimmbar ist, könnten Designmethoden verschiedene Laser oder Solarbeleuchtung umfassen.
Tetards Labor, das im Nanomaßstab arbeitet, versucht nun, die Größe zu reduzieren.
„Wir versuchen, eine Möglichkeit zu finden, aus dem Prozess zu lernen und herauszufinden, wie wir ihn auch in kleineren Maßstäben zum Laufen bringen können – indem wir das Licht in einem winzigen Volumen steuern“, sagt sie.
„Derzeit ist die Größe der Strukturen im Mikromaßstab, weil das Lichtfokusvolumen, das wir erzeugen, im Mikromaßstab liegt“, sagt sie. „Wenn wir also das Licht in einem winzigen Volumen kontrollieren können, können wir vielleicht nanogroße Objekte für tausendmal kleinere gemusterte Nanostrukturen züchten. Das ist etwas, was wir in Zukunft umsetzen wollen. Und wenn das dann möglich wird, Damit können wir viel anfangen.“
Eine bessere, sauberere Technologie zur Herstellung von Kohlenstoff
Die bessere, sauberere Technologie der Forscher zur Herstellung von Wasserstoff wurde tatsächlich von einer früheren innovativen Methode inspiriert, bei der Kohlenstoff aus defekttechnisch hergestelltem Bornitrid mithilfe von sichtbarem Licht hergestellt wurde.
Sie entdeckten einen neuen Weg zur Herstellung von Kohlenstoff und Wasserstoff durch chemisches Cracken von Kohlenwasserstoffen mit Energie, die durch die Kopplung von sichtbarem Licht mit einem metallfreien Katalysator, defekttechnisch hergestelltem Bornitrid, bereitgestellt wird.
Im Vergleich zu anderen Methoden ist sie besser, da sie weder viel Energie noch Zeit oder spezielle Reagenzien oder Vorläufer erfordert, die Verunreinigungen hinterlassen.
Übrig bleiben lediglich Kohlenstoff und einige Spuren von Bor und Stickstoff, die weder für den Menschen noch für die Umwelt giftig sind.
Die photochemische Transformationstechnologie eignet sich für viele Anwendungen, darunter Sensoren oder neue Komponenten für die Nanoelektronik, Energiespeicherung, Quantengeräte und die Produktion von grünem Wasserstoff.
Starke Zusammenarbeit
Als langjährige Forschungsmitarbeiter sind Tetard und Blair mit dem alten Sprichwort nur allzu vertraut: „Wenn es Ihnen beim ersten Mal nicht gelingt, versuchen Sie es noch einmal.“
„Es hat eine Weile gedauert, bis wir einige wirklich aufregende Ergebnisse erzielten“, sagt Tetard. „Am Anfang funktionierten viele der Charakterisierungen, die wir versuchten, nicht so, wie wir es wollten. Wir haben uns so oft hingesetzt, um rätselhafte Beobachtungen zu diskutieren.“
Dennoch machten sie Fortschritte und ihre Beharrlichkeit zahlte sich mit ihren neuen Erfindungen aus.
„Richard hat eine Million verschiedene Ideen, wie man Probleme lösen kann“, sagt Tetard. „Irgendwann würden wir also etwas finden, das funktioniert.“
Sie und Blair schlossen sich kurz nach ihrem Treffen im Jahr 2013 in der Physikabteilung der UCF zusammen. Blair hatte gerade katalytische Eigenschaften in der chemischen Verbindung Bornitrid entdeckt, die „unerhört“ waren, und wollte die Informationen veröffentlichen und weitere Forschung betreiben.
Er hatte einen Mitarbeiter für die theoretische Modellierung, Talat Rahman, einen angesehenen Pegasus-Professor am Fachbereich Physik, aber er brauchte jemanden, der ihm bei der Charakterisierung der Ergebnisse half.
„Auf der Ebene der Charakterisierung liegt nicht meine Stärke“, sagt er. „Ich habe Stärken, die Laurenes Stärken ergänzen. Es machte Sinn zu sehen, ob wir gemeinsam etwas unternehmen könnten und ob sie dem, was wir sahen, einen Einblick geben konnte.“
Daher hofften sie, in Zusammenarbeit mit Rahman und der US National Science Foundation ein molekulares Verständnis der katalytischen Eigenschaften von defektbeladenem, hexagonalem (kristallstrukturiertem) Bornitrid, einem metallfreien Katalysator, zu erlangen.
Typische Katalysatoren bestehen häufig aus Metallen, und Bornitrid, manchmal auch „weißer Graphit“ genannt, wird aufgrund seiner rutschigen Eigenschaften häufig in der Industrie eingesetzt, jedoch nicht für die Katalyse.
„Bis wir auf den Markt kamen, galt diese Art von Bornitrid als einfach inert“, sagt Blair. „Vielleicht ein Schmiermittel, vielleicht für Kosmetika. Aber es hatte keinen chemischen Nutzen. Allerdings stellte das Forscherteam mithilfe von Defekten fest, dass die Verbindung ein großes Potenzial für die Produktion von Kohlenstoff und grünem Wasserstoff hatte, möglicherweise in großen Mengen.“
Die Technologie, die das Team zur Herstellung von Kohlenstoff aus defektem Bornitrid mithilfe von sichtbarem Licht entwickelte, kam unerwartet.
Blair sagt, dass sie zur Analyse der Oberfläche des Katalysators diesen in einen kleinen Behälter geben, ihn mit einem Kohlenwasserstoffgas wie Propen unter Druck setzen und ihn dann Laserlicht aussetzen würden.
„Jedes Mal hat es zwei Dinge bewirkt, die frustrierend waren“, sagt er. „Der Katalysator selbst strahlte Licht aus, das alle von uns benötigten Daten verdeckte, und der Student sagte immer wieder: ‚Es verbrennt‘, und ich würde sagen, das ist unmöglich. Auf dem Katalysator befindet sich kein Kohlenstoff.“
„Und es gab keinen Sauerstoff“, fügt Tetard hinzu. Sie waren ratlos.
„Wenn wir diese brennende Stelle untersuchen wollten, musste sie größer sein“, sagt sie.
Nachdem es ihnen gelungen war, eine größere Probe herzustellen, legten sie diese unter das Elektronenmikroskop.
„Wir haben angefangen, einige Linien zu sehen, aber es ist ein loses, unordentliches Pulver, daher sollte es nicht bestellt werden“, sagte Tetard. „Aber als wir noch weiter hineingezoomt haben, sahen wir etwas Kohlenstoff, und zwar viel davon, mit dem fehlerhaften Bornitrid-Pulver, das an der Oberseite klebte.“
Was als Problem angesehen wurde, war tatsächlich ein Zufall, da die Entdeckung die Wasserstoffproduktion bei niedrigen Temperaturen und die Produktion von Kohlenstoff als Nebenprodukt ohne Freisetzung von Treibhausgasen oder Schadstoffen ermöglichen würde.