Cyclische Emissies – Methaan maken uit koolstofdioxide

Een nieuw proces dat wetenschappers in staat stelt methaan uit koolstofdioxide te maken, zou de markt kunnen revolutioneren, waardoor fabrikanten gesloten‑kring koolstofsystemen kunnen creëren. Het proces maakt gebruik van elektrochemie en geavanceerde wiskundige modellen om vastgelegde CO₂ direct om te zetten in bruikbaar methaan. Dit is wat u moet weten.

Koolstofafvangsystemen

Het concept van koolstofafvang is de afgelopen vijf jaar steeds populairder geworden. Deze systemen verwijderen CO2 uit de atmosfeer en slaan het op. Er zijn veel manieren waarop ingenieurs deze taak hebben volbracht. De meeste gebruiken een chemische reactie om CO2 van andere gassen te scheiden en vervolgens om te zetten in andere waardevolle chemicaliën.

Deze concepten hebben succes bewezen, maar bevinden zich nog in een vroeg stadium, waarbij de meeste nog duur zijn en geen schaalbaarheid hebben. Om deze technologie echt impactvol te maken, moet ze opgeschaald worden tot industrieel niveau, zodat ze de beste resultaten voor de gemeenschap kan leveren.

Meerstapsproces

Een andere grote belemmering van de meest gangbare vormen van koolstofafvang vandaag is dat ze meerdere stappen kunnen vereisen. Elke stap kost tijd en vereist zeer specifieke processen. In de meeste gevallen is de eerste stap het opvangen en verzamelen van CO2. Vervolgens voert elk systeem zijn proces uit om de omzetting te voltooien. Elke chemische reactie voegt tijd, complexiteit en de totale kosten toe.

Gevaarlijke chemicaliën

Veel van de populairste koolstofafvangopties op de markt vandaag vertrouwen op chemische reacties. Deze systemen hebben schadelijke bijproducten die de voordelen enigszins tenietdoen. Gevaarlijke chemicaliën moeten op een specifieke manier worden opgeslagen, getransporteerd en afgevoerd, wat de totale kosten per pond vastgelegde koolstof verhoogt.

Studie Cyclische Emissies

Een recente studie, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, getiteld “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”¹, gaat in op een nieuwe methodologie die de energiebehoefte vermindert en mogelijk zelfvoorzienend is. De studie beschrijft een methode die CO2 veilig omzet in methaan.

Bron – Journal of the American Chemical Society

Deze ontwikkeling is een belangrijke mijlpaal, aangezien koolstofdioxide een van de belangrijkste bijproducten is van het verbranden van methaan. Wetenschappers streven al lange tijd naar een gesloten koolstofkring. Deze term verwijst naar een systeem dat zijn bijproducten kan benutten om de werking voort te zetten. Concreet beschrijft het artikel hoe ze met succes carbamaatomzetting naar methaan hebben bereikt.

In het artikel werd CO2 afgevangen met behulp van een amine‑scruboplossing. Het carbamaat werd vervolgens door een nikkelgebaseerde katalysator geleid, waarbij nikkelatomen in een specifiek patroon waren gerangschikt op basis van geavanceerde wiskundige modellen.

Test Cyclische Emissies

Om te testen of de omzetting voltooid was, maakten de ingenieurs gebruik van diverse geavanceerde onderzoekstools, waaronder röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) en elektronenmicroscopie (EM). Deze apparaten toonden aan dat de omzetting succesvol was afgerond en CO2 was omgezet in methaan.

De ingenieurs maakten gebruik van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)-berekeningen als onderdeel van hun aanpak. Deze modellen stelden hen in staat beter te voorspellen door het in kaart brengen van de optimale elektronenindeling en -verdeling. Bovendien integreerden de ingenieurs een computationeel waterstofelektrode (CHE)-model om de vrije reactenergieën te berekenen. Dit was ook cruciaal voor het bepalen van de exacte proton‑gekoppelde elektronenoverdrachtsstappen in elke reactie.

Resultaten Cyclische Emissies

De resultaten toonden aan dat het enkel‑atoom nikkel (Ni) gedispergeerd op goud (Au) CH4 produceerde als hoofdproduct. Het liet zien dat het team erin slaagde CO2 om te zetten in methaan en elke stap van het proces te volgen. Het doel is nu de efficiëntie te verbeteren om de energieproductie van elke gesloten kring te maximaliseren.

Voordelen Cyclische Emissies

Dit onderzoek biedt verschillende voordelen voor de markt. Ten eerste stroomlijnt de nieuwe methode de afvang en omzetting van carbamaat naar een nuttig product, methaan. Het proces is snel en creëert geen schadelijke of nutteloze bijproducten. Bovendien vereist het geen enorme hoeveelheden elektriciteit.

Lage energie

Volgens de onderzoekers biedt deze nieuwe methode de laagst mogelijke energie‑eisen voor wie koolstofafvang en -omzetting zoekt. De elektrochemische reacties zijn efficiënt en goedkoper dan alternatieven en kunnen ter plaatse worden uitgevoerd.

Enkelstapproces

Een ander voordeel van deze nieuwe koolstofafvang‑ en omzettingsmethode is dat alle stappen worden gecombineerd in één proces. Uniek is dat de koolstof in één stap wordt afgevangen en omgezet. Deze aanpak vermindert complexiteit, verbetert de stabiliteit en biedt veel meer transparantie.

Onderzoekers

Tomaz Neves-Garcia leidde de studie uitgevoerd aan The Ohio State University. Daarnaast worden Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li en Hailiang Wang van Yale University vermeld als co‑auteurs van de studie. Nu wil het team hun proces opschalen om de industriële sector te bedienen.

Bedrijven die kunnen profiteren van het onderzoek naar cyclische emissies

Verschillende bedrijven kunnen hun resultaat verbeteren als ze dit onderzoek in hun bedrijfsmodellen integreren. Deze bedrijven opereren al in het koolstofafvang‑ of aardgas‑ecosysteem en hebben veel energie en inspanning gestoken in het creëren van unieke producten om deze markt te bedienen.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) werd in 1940 opgericht in Detroit, Michigan, door een lokale ondernemer genaamd Leonard Parker Pool. Destijds richtte het bedrijf zich op de productie van kleine generatoren voor gebruik tijdens de Tweede Wereldoorlog. Na de oorlog zette het bedrijf zich in om zijn aanbod en producten uit te breiden.

In de afgelopen 80 jaar is Air Products and Chemicals Inc. uitgegroeid tot een wereldwijd erkende gasleverancier. Het bedrijf heeft een rijke geschiedenis in de VS en op internationale markten. De focus op service en grote enterprise‑klanten heeft het bedrijf geholpen enorme rendementen te behalen en de activiteiten uit te breiden.

Air Products and Chemicals Inc. heeft talloze onderscheidingen ontvangen tijdens haar reis om een van de populairste opties te worden voor fabrikanten die methaangas zoeken. In 2008 werd het opgenomen in de Dow Jones Sustainability North America Index als een top‑presterende aandeel.

Vandaag vertoont APD sterke YTD‑groei dankzij een combinatie van factoren, waaronder vooruitgang in haar processen, slim bedrijfsbeheer en een toename in methaangebruik. Als APD deze technologie in haar bedrijfsmodel zou integreren, zou ze de productiekosten aanzienlijk kunnen verlagen. Momenteel heeft APD een marktkapitalisatie van $73,961 miljard en laat ze positieve groei voor het jaar zien.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Het in Canada gevestigde chemische impactreductiebedrijf Delta CleanTech Inc. betrad de markt met als doel de huidige koolstofafvangtechnologie te verbeteren. Het bedrijf verwierf snel bekendheid dankzij zijn unieke kenmerken en diensten. Bedrijven kunnen de expertise van Delta CleanTech benutten om hun CO2 en andere schadelijke emissies te verminderen.

Het bedrijf heeft vandaag verschillende impactvolle producten beschikbaar. Bijvoorbeeld, de Delta Reclaimer stelt bedrijven in staat oplosmiddelen te zuiveren. Daarnaast biedt het bedrijf momenteel een product genaamd MethanatorRX dat methaan veilig kan afbreken tot onschadelijke producten. Het bedrijf biedt ook een CarbonRX‑service die bedrijven in staat stelt hun koolstofcredits optimaal te benutten.

Andere koolstofafvangsystemen die het waard zijn om te kennen

Gelukkig staan de Ohio State-onderzoekers achter de studie over cyclische emissies niet alleen in hun streven om het milieu te redden door CO2 te verminderen. Hier zijn enkele andere interessante methoden die de potentie hebben om CO2‑emissies in de toekomst aanzienlijk te verlagen.

Electrochemical Reactor

Een team van ingenieurs onder leiding van RICE University introduceerde ‘s werelds eerste direct‑air‑capture‑apparaat op kamertemperatuur. Deze reactor kan koolstof direct uit de lucht afvangen zonder bijproducten achter te laten. Net als het OSU‑team elimineert hun elektrochemische proces amine‑gebaseerde sorpties zoals natrium- en kaliumhydroxide.

Interessant genoeg bleek het bijproduct van dit proces waterstof te zijn, een andere zeer nuttige chemische stof die dezelfde processen kan aandrijven. Bovendien verbetert het weglaten van warmte en extra chemicaliën de duurzaamheid van deze aanpak en maakt het universeel toepasbaar.

Toekomst

De toekomst van koolstofafvangtechnologie ziet er rooskleurig uit. Deze systemen hebben de aandacht getrokken in de strijd tegen vervuiling. De unieke aanpak van het team en het vermogen om methaan uit CO2 te creëren, is op vele niveaus revolutionair. Ten eerste helpt het wetenschappers beter de voordelen en nadelen van gesloten‑kring systemen te begrijpen en hoe deze gebieden te verbeteren om de prestaties te verhogen.

Conclusie Cyclische Emissies

U moet het OSU‑team achter dit onderzoek toejuichen. Wetenschappers hebben gedroomd van het sluiten van de koolstofkring op een manier die voor iedereen voordelig kan zijn. Nu kan uw vervuiling worden gerecycled tot energie, en begint de emissiecyclus. Daarom kunt u verwachten dat er meer aandacht komt voor het afvangen van CO2, naast thermische reductie‑beleid en -campagnes.

Leer meer over andere coole milieuprojecten vandaag.

Studieverwijzing:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Geïntegreerde koolstofdioxide-afvang door aminen en omzetting naar methaan op enkel‑atoom nikkel‑katalysatoren. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}