甲烷回收新突破！可用来制造绿氢和新材料
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
撰文 | Penn
编辑 | 小棠
→这是《环球零碳》的第765篇原创
甲烷 (CH4) 是一种碳氢化合物，是天然气的主要成分，同时它也是一种温室气体（GHG）。美国环境保护署EPA的数据显示，甲烷是仅次于二氧化碳 (CO2 )的第二丰富的人为温室气体，约占全球排放量的 20%。
与二氧化碳相比，甲烷在大气中的寿命短得多，但它在大气中存在时吸收的能量却要多得多。排放一吨甲烷在100年的尺度下温室效应是一吨二氧化碳的28倍（即GWP，全球暖化潜力值为28，是指排放一吨甲烷对全球暖化的影响拉长到100年以后的值）。如果我们将时间尺度缩短到20年，那么甲烷的GWP将高达81。
因此，在工业时代，它在推动气候变化方面的影响仅次于二氧化碳。与此同时，甲烷减排也是目前减缓气候变化见效最快的领域，如果在未来30年内减少50%的甲烷排放，将有助于在2050年前让全球平均气温下降0.2℃。
全球已有越来越多的科研人员投身于甲烷减排领域，相关新技术新方法也不断涌现。
近日，美国中佛罗里达大学的两位研究人员就开发出了利用有害温室气体甲烷生产绿色能源和材料的新方法。此项发明来自纳米技术专家劳伦·泰塔德（Laurene Tetard）和催化专家理查德·布莱尔（Richard Blair），他们研制出了一种富含硼的光催化剂，该催化剂具有纳米级缺陷或结构不规则性，使其能够将甲烷等碳氢化合物链分解成无害的成分。
图说：UCF 研究人员理查德·布莱尔（左）和劳伦·泰塔德（右）
来源：UCF
01
可见光+催化剂，回收甲烷制取绿氢
劳伦·泰塔德和理查德·布莱尔此次的发明涉及一种创新技术，从甲烷等碳氢化合物中产生氢气，同时消除含碳气体的释放。此技术实际上是受到他们早期创新方法的启发，该方法利用可见光从缺陷工程氮化硼中制造碳。这种通过碳氢化合物的化学裂解生产碳和氢的新方法，其能量由可见光与无金属催化剂、缺陷工程氮化硼耦合提供。
图说：甲烷 + 阳光 + 催化剂合成绿色氢气
来源：energytheory
这项创新的重点是利用可见光，如激光、灯或太阳能，以及缺陷工程的富硼光催化剂。这种方法展示了纳米级材料的卓越能力，能够在可见光的帮助下捕获和转化甲烷等碳氢化合物。缺陷工程则涉及创建具有不规则结构的材料。
传统情况下，甲烷重整也可用于制氢，但此过程中当催化剂在较高温度下发生反应时，通常会产生某些污染物，例如二氧化碳、一氧化碳或高级多环芳烃化合物。但中佛罗里达大学研究人员此次提出的新技术生产的氢气则不含这些污染物，它不需要大量的能量、时间，剩下的只是碳以及一些微量的硼和氮，对人类或环境都没有毒害。
在新技术下，研究人员将甲烷转化为绿色能源和不含杂质的有用材料，开发有可能降低能源生产中使用的催化剂的成本，增强可见光范围内的光催化转化，并优化太阳能催化的利用。
理查德·布莱尔说：“这项发明实际上是一个双重发明。你得到绿色氢气，并真正去除——而不是隔离——甲烷。你正在将甲烷加工成氢气和纯碳，可用于电池等用途。”
图说：中佛罗里达大学Exolith 实验室
来源：UFC
中佛罗里达大学的 Exolith 实验室已成功地利用阳光从甲烷气体中产生氢气，这一切都是通过实施强大的太阳能聚光器系统实现的。他建议，没有丰富电力来源的国家可以通过利用甲烷和阳光来应用这项发明。除了石油和天然气系统外，垃圾填埋场、工业和农业区、废水处理场等地方也存在甲烷。
02
无污染地生产碳微观结构
同时，劳伦·泰塔德和理查德·布莱尔开发的这项技术是一种生产尺寸受控的碳纳米级和微米级结构的方法。它利用光和缺陷工程光催化剂，从多种碳源中制造出图案化、轮廓分明的纳米级和微米级结构，具体应用的例子包括甲烷、乙烷、丙烷、丙烯和一氧化碳。
图说：矢量三维球状碳富勒烯分子
来源：depositphotos
劳伦·泰塔德说：“这就像拥有碳 3D 打印机而不是聚合物 3D 打印机。如果我们有这样的工具，那么也许我们甚至可以想出一些今天不可能实现的碳支架设计。我们的梦想是用甲烷制造高性能碳材料，但目前这方面做得还不是很好。”
布莱尔补充道：“因此，这项发明将成为一种在大规模工业规模上以可持续的方式利用甲烷制造此类材料的方法。”
图说：中佛罗里达大学纳米科学技术中心
来源：UFC
此方法生产出的碳结构虽小，但结构良好，可以精确排列，具有精确的尺寸和图案。布莱尔说："现在你谈论的是高价值应用，也许是医疗设备或新型化学传感器。"这将成为开发各种产品的平台，该技术的应用只受想象力的限制。
由于生长过程在不同波长下是可调的，因此设计方法可以结合各种激光或太阳能照明。泰塔德目前在实验室中试图缩小碳结构的尺寸，她说："我们正在想办法从这一过程中学习，看看如何让它在更小的尺度上工作--在极小的体积内控制光线。如果我们能在微小体积内控制光线，也许我们就能培育出纳米尺寸的物体，使图案化的纳米结构小一千倍。我们正考虑在未来实现这一点。然后，如果这成为可能，我们可以用它做很多事情。"
03
未来
甲烷排放是一个巨大且日益严重的问题，如果此次提出的光催化剂被证明在商业规模上可行，那么太阳能驱动的甲烷捕获技术的想法可能会部署在大型甲烷排放地点周围，同时产生多种收入流，这无疑是一个令人兴奋的想法。
“在我们出现之前，这种氮化硼被认为是惰性的，”布莱尔说。“也许是润滑剂，也许是化妆品。但它没有任何化学用途。然而，通过缺陷工程，研究小组发现该化合物具有生产碳和绿色氢的巨大潜力，甚至可能大量生产。”
该团队正在寻找许可和赞助研究机会以推动技术向前发展。
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参考资料：
[1]https://newatlas.com/energy/ucf-methane-to-hydrogen-carbon/
[2]https://www.ucf.edu/news/ucf-researchers-develop-new-technology-to-recycle-greenhouse-gas-into-energy-materials/
[3]https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases
[4]https://www.epa.gov/gmi/importance-methane
[5]https://carbonherald.com/researchers-develop-new-technology-to-produce-energy-materials-from-methane/
[6]https://carbonherald.com/natural-gas-could-be-three-times-worse-than-coal-thanks-to-methane-leaks-bloomberg/
[7]https://cleantechnica.com/2023/08/15/methane-sunlight-catalyst-emissions-free-hydrogen-says-ucf-researchers/
[8]https://energytheory.com/ucf-researchers-convert-greenhouse-gases-into-useful-materials/
首图来源：NASA
END
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