Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Buffalo sta sviluppando nuovi catalizzatori che mirano a trasformare le emissioni di metano che contribuiscono al riscaldamento del clima in prodotti commerciali utili.
Il lavoro, descritto il mese scorso in Nature Communications , potrebbero avere un impatto su numerosi settori, tra cui la produzione di gas naturale e petrolio greggio, l'allevamento di bestiame, lo smaltimento in discarica e l'estrazione del carbone, dove il metano è un sottoprodotto.
"C'è un'opportunità con il metano per avere un impatto più immediato nella riduzione delle emissioni di riscaldamento climatico. Stiamo lavorando a una soluzione economicamente vantaggiosa per trasformare questo sottoprodotto industriale in beni preziosi, come materie prime chimiche", afferma l'autore principale Mark T. Swihart, professore illustre della SUNY e presidente del Dipartimento di ingegneria chimica e biologica presso la Scuola di ingegneria e scienze applicate della UB.
Swihart, anche lui professore di innovazione del SUNY Empire e membro della facoltà del RENEW Institute della UB, ha aggiunto che la tecnologia ha applicazioni più ampie nei semiconduttori, nella biotecnologia, nell'elettrochimica e in altri campi che necessitano di materiali nuovi e migliorati.
Shuo Liu, un dottorato di ricerca. candidato nel laboratorio di Swihart, è il primo autore dello studio. I coautori includono Jeffery J. Urban, Ph.D., Chaochao Dun, Ph.D., Jinghua Guo, Ph.D., tutti membri del Lawrence Berkeley National Laboratory; Feipeng Yang, Ph.D., che era a Berkeley durante gli esperimenti ma ora lavora al Brookhaven National Laboratory; Qike Jiang della Westlake University in Cina; e Zhengxi Xuan, Ph.D. dell'UB. studente.
La cattura del metano è in ritardo rispetto alla cattura del carbonio
Il metano è il secondo gas serra più abbondante e il componente principale del gas naturale. Dura solo pochi decenni nell'atmosfera terrestre rispetto ai secoli dell'anidride carbonica, ma il metano intrappola una quantità di calore 80 volte superiore.
Per decenni, gli scienziati hanno lottato per sviluppare metodi economici per convertire il metano in prodotti utili senza produrre anidride carbonica.
Una possibile soluzione è il dry reforming, un processo industriale in grado di convertire sia il metano che l'anidride carbonica in materie prime chimiche, ovvero materie prime che i produttori possono utilizzare per creare o elaborare altri prodotti.
Ma il metano da reforming a secco non è commercialmente fattibile perché i catalizzatori esistenti a base di nichel smettono di funzionare quando le loro particelle cataliticamente attive si ricoprono di depositi di carbonio (coking) o si combinano in particelle più grandi e meno attive (sinterizzazione). La maggior parte dei catalizzatori richiede inoltre procedure di produzione complesse.
Per superare questi problemi, il team ha utilizzato un reattore a fiamma unico sviluppato nel laboratorio di Swihart che crea catalizzatori in un unico passaggio. Questo processo basato su aerosol ha permesso agli scienziati di esplorare diversi catalizzatori a base di nichel, che in questo caso sono minuscole particelle sferiche chiamate nanoshell.
"La svolta fondamentale è il metodo di sintesi dell'aerosol di fiamma", afferma Liu. "Ci permette di superare i limiti tradizionali e creare materiali altrimenti inaccessibili con nuove proprietà."
Il metodo ha prodotto i catalizzatori più performanti mediante quello che il team di ricerca chiama un processo di “esosoluzione incapsulata”, in cui nanoparticelle di nichel si formano all’interno dei pori di un guscio di ossido di alluminio anziché sulla sua superficie. Questo fenomeno aiuta a costruire un materiale più stabile che, a sua volta, crea un catalizzatore più durevole.
Negli esperimenti, il team ha riferito che, nel corso di 640 ore a 800°C, i catalizzatori sono rimasti efficaci convertendo il 96% di metano e anidride carbonica nei prodotti desiderati. I risultati, afferma il team, superano notevolmente le prestazioni dei catalizzatori convenzionali.
Il metodo di produzione suggerisce una via da seguire non solo per migliorare i catalizzatori, ma anche per altri campi in cui sono necessari nuovi materiali. Ciò include la somministrazione, il rilevamento e il rilevamento dei farmaci, lo stoccaggio e la conversione dell'energia, nonché i rivestimenti e i modificatori di superficie, afferma Swihart.
Ulteriori informazioni: Shuo Liu et al, La sfida della termodinamica:combinazione di elementi immiscibili in una nanoceramica monofase, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45413-w
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Buffalo
