Cyklicerade utsläpp – Skapa metan från koldioxid

En ny process som gör det möjligt för forskare att skapa metan från koldioxid kan revolutionera marknaden och låta tillverkare skapa slutna koldioxidkretslopp. Processen använder elektrokemi och avancerade matematiska modeller för att direkt omvandla infångad CO₂ till användbar metan. Här är vad du behöver veta.

Koldioxidavskiljningssystem

Konceptet att fånga koldioxid har blivit mer populärt under de senaste fem åren. Dessa system tar bort CO2 från atmosfären och lagrar den. Det finns många sätt som ingenjörer har använt för att utföra detta. De flesta använder någon kemisk reaktion för att isolera CO2 från andra gaser och sedan omvandla den till andra kemikalier som har värde.

Dessa koncept har visat sig framgångsrika men är fortfarande i sina tidiga stadier, där de flesta är dyra och saknar skalbarhet. För att denna teknik ska bli verkligt betydelsefull måste den skalas upp till industriell nivå, så att den kan leverera de bästa resultaten för samhället.

Flerstegsprocess

En annan stor nackdel med de vanligaste formerna av koldioxidavskiljning idag är att de kan kräva flera steg. Varje steg kan ta tid och kräva mycket specifika processer. I de flesta fall är det första steget att fånga och samla in CO2. Därefter genomför varje system sin process för att slutföra omvandlingen. Varje kemisk reaktion ökar tiden, komplexiteten och de totala kostnaderna.

Farliga kemikalier

Många av de mest populära koldioxidavskiljningsalternativen på marknaden idag bygger på kemiska reaktioner. Dessa system har skadliga biprodukter som delvis motverkar fördelarna. Farliga kemikalier måste lagras, transporteras och avyttras på ett specifikt sätt, vilket ökar den totala kostnaden per pund av infångad koldioxid.

Studie om cykliska utsläpp

En nyligen publicerad studie i Journal of the American Chemical Society med titeln “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”¹ undersöker en ny metodik som minskar energibehovet och kan vara självförsörjande. Studien förklarar en metod som säkert omvandlar CO2 till metan.

Källa – Journal of the American Chemical Society

Denna utveckling är ett stort milstolpe, eftersom koldioxid är en av de huvudsakliga biprodukterna vid förbränning av metan. Forskare har länge försökt skapa en sluten kolkrets. Detta begrepp avser ett system som kan utnyttja sina biprodukter för att fortsätta verksamheten. Specifikt beskriver artikeln hur de framgångsrikt uppnådde omvandling av karbamat till metan.

I artikeln fångades CO2 med en amin‑skrapningslösning. Karbamatet matades sedan genom en nickelbaserad katalysator, som hade nickelatomer arrangerade i ett specifikt mönster baserat på avancerade matematiska modeller.

Test av cykliska utsläpp

För att testa om omvandlingen var fullständig använde ingenjörerna en rad avancerade forskningsverktyg, inklusive röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och elektronmikroskopi (EM). Dessa instrument visade att omvandlingen slutfördes framgångsrikt och att CO2 omvandlades till metan.

Ingenjörerna utnyttjade beräkningar med densitetsfunktionsteori (DFT) som en del av sin metod. Dessa modeller gjorde det möjligt att bättre förutsäga genom att kartlägga den optimala elektronfördelningen. Dessutom integrerade ingenjörerna en beräkningsmodell för väteelektrod (CHE) för att beräkna reaktionsfria energier. Den var också avgörande för att fastställa de exakta proton‑kopplade elektronöverföringsstegen i varje reaktion.

Resultat av cykliska utsläpp

Resultaten visade att den enstaka nickelatomen (Ni) som spreds på guld (Au) skapade CH4 som huvudprodukt. Det visade att teamet lyckades omvandla CO2 till metan och spåra varje steg i processen. Målet nu är att förbättra effektiviteten för att maximera energiproduktionen i varje slutna krets.

Fördelar med cykliska utsläpp

Denna forskning ger flera fördelar för marknaden. För det första förenklar den nya metoden fångst och omvandling av karbamat till en användbar produkt, metan. Processen är snabb och skapar inte skadliga eller onödiga biprodukter. Dessutom kräver den inte stora mängder elektricitet.

Låg energi

Enligt forskarna ger denna nya metod de lägsta möjliga energikrav för dem som söker koldioxidavskiljning och -omvandling. De elektrokemiska reaktionerna är effektiva och billigare än alternativ och kan utföras på plats.

Enstegprocess

En annan fördel med denna nya metod för koldioxidavskiljning och -omvandling är att den kombinerar alla steg i en enda process. På ett unikt sätt fångas och omvandlas koldioxiden i ett steg. Detta tillvägagångssätt minskar komplexiteten, förbättrar stabiliteten och ger mycket större transparens.

Forskare

Tomaz Neves-Garcia ledde studien som genomfördes vid The Ohio State University. Dessutom är Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li och Hailiang Wang från Yale University listade som medförfattare till studien. Nu strävar teamet efter att skala upp sin process för att betjäna industrisektorn.

Företag som kan dra nytta av forskningen om cykliska utsläpp

Flera företag kan förbättra sin lönsamhet om de integrerar denna forskning i sina affärsmodeller. Dessa företag är redan verksamma inom koldioxidavskiljnings- eller naturgaskretsen och har lagt ner omfattande energi och ansträngning på att skapa unika produkter för att betjäna denna marknad.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) grundades i Detroit, Michigan, år 1940 av en lokal entreprenör vid namn Leonard Parker Pool. Vid den tiden fokuserade företaget på att tillverka små generatorer för användning under andra världskriget. Efter krigets slut åtagde sig företaget att utöka sitt sortiment och sina produkter.

Under de senaste 80 åren har Air Products and Chemicals Inc. blivit en globalt erkänd gasleverantör. Företaget har en levande historia på den amerikanska och internationella marknaden. Dess fokus på service och stora företagskunder har hjälpt företaget att säkra enorma avkastningar och expandera verksamheten.

Air Products and Chemicals Inc. har mottagit många utmärkelser på sin resa till att bli ett av de mest populära alternativen för tillverkare som söker metangas. År 2008 listades företaget på Dow Jones Sustainability North America Index som en top‑presterande aktie.

Idag visar APD starka år‑till‑datum (YTD) vinster på grund av en kombination av faktorer, inklusive framsteg i sina processer, smart affärshantering och ökad användning av metan. Om APD kunde integrera denna teknik i sin affärsmodell skulle det kunna minska tillverkningskostnaderna avsevärt. För närvarande har APD ett börsvärde på 73,961  miljarder dollar och visar positiva vinster för året.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Det kanadensiska kemikaliereduktionsföretaget Delta CleanTech Inc. gick in på marknaden för att förbättra den befintliga koldioxidavskiljningstekniken. Företaget fick snabbt uppmärksamhet på grund av sina unika funktioner och tjänster. Företag kan utnyttja Delta CleanTechs expertis för att minska sina CO2- och andra skadliga utsläpp.

Företaget har flera effektfulla produkter tillgängliga idag. Till exempel möjliggör Delta Reclaimer för företag att rena lösningsmedel. Dessutom erbjuder företaget för närvarande en produkt som heter MethanatorRX som säkert kan bryta ner metan till ofarliga produkter. Företaget erbjuder också en tjänst, CarbonRX, som låter företag maximera användningen av sina koldioxidkrediter.

Andra koldioxidavskiljningssystem som är värda att känna till

Lyckligtvis är forskarna från Ohio State bakom studien om cykliska utsläpp inte ensamma i sin strävan att rädda miljön genom att minska CO2. Här är några andra intressanta metoder som har potential att avsevärt minska CO2-utsläppen framöver.

Elektrokemisk reaktor

Ett team av ingenjörer ledd av RICE University introducerade världens första rumstemperaturdirekta luftavskiljningsanordning. Denna reaktor kan direkt avskilja koldioxid från luften utan att lämna några biprodukter. Precis som OSU‑teamet eliminerar deras elektrokemiska process amine‑baserade sorbenter som natrium- och kaliumhydroxid.

Intressant nog visade sig biprodukten av denna process vara väte, en annan mycket användbar kemikalie som kan driva samma processer. Dessutom förbättrar elimineringen av värme och ytterligare kemikalier hållbarheten i detta tillvägagångssätt och gör det allmänt tillämpbart.

Framtid

Framtiden för koldioxidavskiljningsteknik är ljus. Dessa system har fått uppmärksamhet i kampen mot föroreningar. Teamets unika tillvägagångssätt och förmåga att skapa metan från CO2 är revolutionerande på många nivåer. För det första hjälper det forskare att bättre förstå fördelarna och nackdelarna med slutna kretsar och hur man kan förbättra dessa områden för att öka prestandan.

Slutsats om cykliska utsläpp

Man måste ge erkännande till OSU‑teamet bakom denna forskning. Forskare har drömt om att sluta koldioxidkretsen på ett sätt som kan vara fördelaktigt för alla. Nu kan ditt avfall återvinnas till energi, och utsläppscykeln börjar. Därför kan du förvänta dig ökat fokus på att fånga CO2, tillsammans med termiska reduktionspolicyer och kampanjer.

Läs om andra spännande miljöprojekt idag.

Studierreferens:

^{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). Integrerad koldioxidavskiljning med aminer och omvandling till metan på enkelsatomnickelkatalysatorer. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}