Una coppia di ricercatori dell'Università della Florida Centrale ha sviluppato nuovi metodi per produrre energia e materiali dal metano, un gas serra nocivo.
Secondo l'Environmental Protection Agency degli Stati Uniti, l'impatto comparativo del metano sull'atmosfera terrestre, a parità di libbra, è 28 volte maggiore di quello dell'anidride carbonica, un altro importante gas serra, su un periodo di 100 anni.
Questo perché il metano è più efficiente nell'intrappolare le radiazioni, nonostante abbia una vita nell'atmosfera più breve rispetto all'anidride carbonica.
Le principali fonti di emissioni di metano includono energia e industria, agricoltura e discariche.
Le nuove innovazioni UCF consentono di utilizzare il metano nella produzione di energia verde e di creare materiali ad alte prestazioni per dispositivi intelligenti, biotecnologia, celle solari e altro ancora.
Le invenzioni provengono dalla nanotecnologa Laurene Tetard e dall'esperto di catalisi Richard Blair, che hanno collaborato alla ricerca presso l'UCF negli ultimi 10 anni.
Tetard è professore associato e presidente associato del Dipartimento di fisica dell'UCF e ricercatore presso il NanoScience Technology Center, mentre Blair è professore di ricerca presso il Florida Space Institute dell'UCF.
La prima invenzione è un metodo per produrre idrogeno da idrocarburi, come il metano, senza rilasciare gas di carbonio.
Utilizzando la luce visibile – come un laser, una lampada o una fonte solare – e fotocatalizzatori ricchi di boro progettati in modo difettoso, l’innovazione evidenzia una nuova funzionalità dei materiali su scala nanometrica per la cattura assistita dalla luce visibile e la conversione di idrocarburi come il metano. L'ingegneria dei difetti si riferisce alla creazione di materiali strutturati in modo irregolare.
L'invenzione UCF produce idrogeno privo di contaminanti, come composti poliaromatici superiori, anidride carbonica o monossido di carbonio, che sono comuni nelle reazioni eseguite a temperature più elevate su catalizzatori convenzionali.
Lo sviluppo può potenzialmente ridurre il costo dei catalizzatori utilizzati per creare energia, consentire una maggiore conversione fotocatalitica nella gamma visibile e consentire un uso più efficiente dell'energia solare per la catalisi.
Le applicazioni di mercato includono la possibile produzione su larga scala di idrogeno nei parchi solari e la cattura e conversione del metano.
"Quell'invenzione è in realtà un doppio gioco", dice Blair. "Ottieni idrogeno verde e rimuovi, non sequestrando realmente, il metano. Stai trasformando il metano solo in idrogeno e carbonio puro che può essere utilizzato per cose come le batterie."
Afferma che la produzione tradizionale dell'idrogeno utilizza alte temperature con metano e acqua, ma oltre all'idrogeno, questo processo genera anche anidride carbonica.
"Il nostro processo prende un gas serra, il metano, e lo converte in qualcosa che non è un gas serra e in due cose che sono prodotti preziosi, idrogeno e carbonio", afferma Blair. "E abbiamo eliminato il metano dal ciclo."
Ha notato che all'Exolith Lab dell'UCF sono stati in grado di generare idrogeno dal gas metano utilizzando la luce solare posizionando il sistema su un grande concentratore solare.
Sapendo questo, afferma che i paesi che non dispongono di abbondanti fonti di energia potrebbero utilizzare l'invenzione poiché tutto ciò di cui avrebbero bisogno è metano e luce solare.
Oltre agli impianti di petrolio e gas naturale, il metano è presente nelle discariche, nelle aree industriali e agricole e nei siti di trattamento delle acque reflue.
Questa tecnologia sviluppata da Tetard e Blair è un metodo per produrre strutture su nanoscala e microscala di carbonio con dimensioni controllate. Utilizza la luce e un fotocatalizzatore progettato per difetti per creare strutture modellate e ben definite su scala nanometrica e microscala da numerose fonti di carbonio. Gli esempi includono metano, etano, propano, propene e monossido di carbonio.
"È come avere una stampante 3D al carbonio invece di una stampante 3D ai polimeri", afferma Tetard. "Se disponiamo di uno strumento come questo, forse potremmo realizzare anche alcuni progetti di impalcature in carbonio che oggi sono impossibili."
Blair afferma che il sogno è quello di produrre materiali in carbonio ad alte prestazioni dal metano, cosa che al momento non viene realizzata molto bene, afferma.
"Quindi, questa invenzione sarebbe un modo per produrre tali materiali dal metano in modo sostenibile su larga scala industriale", afferma Blair.
Le strutture in carbonio prodotte sono piccole ma ben strutturate e possono essere disposte con precisione, con dimensioni e schemi precisi.
"Ora stiamo parlando di applicazioni ad alto costo, forse per dispositivi medici o nuovi sensori chimici", afferma Blair. "Questa diventa una piattaforma per lo sviluppo di tutti i tipi di prodotti. L'unico limite è l'applicazione."
Poiché il processo di crescita è regolabile a diverse lunghezze d'onda, i metodi di progettazione potrebbero incorporare vari laser o illuminazione solare.
Il laboratorio di Tetard, che lavora su scala nanometrica, sta ora cercando di ridurne le dimensioni.
"Stiamo cercando di pensare a un modo per imparare dal processo e vedere come potremmo farlo funzionare anche su scala più piccola:controllare la luce in un volume minuscolo", afferma.
"In questo momento, la dimensione delle strutture è su microscala perché il volume focale della luce che creiamo è su microscala", afferma. "Quindi, se riusciamo a controllare la luce in un volume minuscolo, forse possiamo far crescere oggetti di dimensioni nanometriche per nanostrutture modellate mille volte più piccole. Questo è qualcosa che stiamo pensando di implementare in futuro. E poi, se ciò sarà possibile, ci sono molte cose che possiamo fare con questo."
La tecnologia migliore e più pulita dei ricercatori per la produzione di idrogeno è stata in realtà ispirata da un loro precedente metodo innovativo che produceva carbonio dal nitruro di boro modificato utilizzando la luce visibile.
Hanno scoperto un nuovo modo per produrre carbonio e idrogeno attraverso il cracking chimico degli idrocarburi con l'energia fornita dall'accoppiamento della luce visibile con un catalizzatore privo di metalli, il nitruro di boro progettato per difetti.
Rispetto ad altri metodi, è migliore perché non richiede energia, tempo o reagenti o precursori speciali che lasciano impurità.
Tutto ciò che rimane è carbonio e alcune tracce di boro e azoto, nessuno dei quali è tossico per l'uomo o per l'ambiente.
La tecnologia di trasformazione fotochimica si presta a molte applicazioni, inclusi sensori o nuovi componenti per la nanoelettronica, lo stoccaggio dell'energia, i dispositivi quantistici e la produzione di idrogeno verde.
Poiché Tetard e Blair, collaboratori di ricerca di lunga data, conoscono fin troppo bene il vecchio detto:"Se all'inizio non ci riesci, prova, riprova".
"C'è voluto un po' di tempo per ottenere risultati davvero entusiasmanti", afferma Tetard. "All'inizio, gran parte della caratterizzazione che cercavamo di realizzare non funzionava come volevamo. Ci siamo seduti molte volte per discutere di osservazioni sconcertanti."
Tuttavia, sono andati avanti e la loro perseveranza è stata ripagata con le loro nuove invenzioni.
"Richard ha un milione di idee diverse su come risolvere i problemi", afferma Tetard. "Quindi alla fine troveremo qualcosa che funzioni."
Lei e Blair hanno unito le forze poco dopo essersi incontrati nel 2013 presso il dipartimento di fisica dell'UCF. Blair aveva appena scoperto proprietà catalitiche del composto chimico nitruro di boro che erano "inaudite" e voleva pubblicare le informazioni e fare ulteriori ricerche.
Aveva un collaboratore per la modellizzazione teorica, Talat Rahman, un illustre professore Pegasus presso il Dipartimento di Fisica, ma aveva bisogno di qualcuno che lo aiutasse a caratterizzare i risultati.
"A livello di caratterizzazione, non è lì che sta la mia forza", dice. "I miei punti di forza completano quelli di Laurene. Aveva senso vedere se potevamo fare qualcosa insieme e se lei poteva aggiungere qualche intuizione a ciò che stavamo vedendo."
Quindi, in collaborazione con Rahman e la National Science Foundation degli Stati Uniti, speravano di acquisire una comprensione molecolare delle proprietà catalitiche del nitruro di boro esagonale (con struttura cristallina) carico di difetti, un catalizzatore privo di metalli.
I catalizzatori tipici sono spesso costituiti da metalli e il nitruro di boro, a volte chiamato "grafite bianca", ha avuto molti usi industriali grazie alle sue proprietà scivolose, ma non per la catalisi.
"Fino al nostro arrivo, quel tipo di nitruro di boro era considerato semplicemente inerte", afferma Blair. "Forse un lubrificante, forse per i cosmetici. Ma non aveva alcun uso chimico. Tuttavia, con l'ingegneria dei difetti, il gruppo di ricerca ha scoperto che il composto aveva un grande potenziale per produrre carbonio e idrogeno verde, possibilmente in grandi volumi."
La tecnologia sviluppata dal team per produrre carbonio a partire da nitruro di boro modificato utilizzando la luce visibile è arrivata inaspettatamente.
Blair afferma che per analizzare la superficie del catalizzatore, lo metterebbero in un piccolo contenitore, lo pressurizzerebbero con un gas idrocarburico, come il propene, e quindi lo esporrebbero alla luce laser.
"Ogni volta faceva due cose frustranti", dice. "Il catalizzatore stesso emetteva luce che oscurava tutti i dati di cui avevamo bisogno, e lo studente continuava a dire:'si sta bruciando' e direi che è impossibile. Non c'è carbonio sul catalizzatore."
"E non c'era ossigeno", aggiunge Tetard. Erano perplessi.
"Se volevamo studiare quel punto in fiamme, dovevamo essere più grandi", dice.
Una volta riusciti a produrre un campione più grande, lo hanno messo al microscopio elettronico.
"Abbiamo iniziato a vedere alcune linee, ma è una polvere sciolta e disordinata, quindi non dovrebbe essere ordinata", ha detto Tetard. "Ma quando abbiamo ingrandito ancora un po', abbiamo visto un po' di carbonio, e molto, con la polvere di nitruro di boro creata in modo difettoso attaccata alla parte superiore."
Ciò che veniva visto come un problema era in realtà fortuito, poiché la scoperta avrebbe consentito la produzione di idrogeno a basse temperature e la produzione di carbonio come sottoprodotto senza rilascio di gas serra o sostanze inquinanti.
Fornito dall'Università della Florida Centrale
