Reforming parowy gazu ziemnego to obecnie najczęściej stosowana metoda produkcji wodoru. Proces ten polega na reakcji metanu z parą wodną w wysokich temperaturach (powyżej 800oC) i w obecności katalizatora niklowego, co prowadzi do wytworzenia wodoru oraz tlenku węgla. Następnie tlenek węgla reaguje z parą wodną, tworząc dodatkowy wodór i dwutlenek węgla.
Czytaj też: Nowa metoda separacji izotopów wodoru potrzebna na już. Osiągnięto kamień milowy
Choć reforming parowy jest wydajny (65-75 proc.), emituje znaczne ilości CO2 – nawet 2,5 razy więcej niż masa produkowanego wodoru. Aby ograniczyć te emisje, stosuje się kosztowne technologie wychwytu i składowania dwutlenku węgla, które nadal nie są w pełni rozwinięte.
Naukowcy z Rice University opracowali katalizator, który może całkowicie wyeliminować emisje z reformingu parowego poprzez wykorzystanie światła zamiast ciepła do napędzania reakcji. Co więcej, badania mogą okazać się pomocne w ogólnym wydłużeniu żywotności katalizatorów, poprawie wydajności i obniżeniu kosztów wielu procesów przemysłowych nękanych koksowaniem, formą nagromadzenia węgla, która może dezaktywować katalizatory.
Ekologiczna metoda produkcji wodoru
Nowy fotokatalizator miedziowo-rodowy ma konstrukcję anteny-reaktora, która po wystawieniu na działanie określonej długości fali światła rozkłada metan i parę wodną bez zewnętrznego ogrzewania na wodór i tlenek węgla – cenny surowiec dla przemysłu chemicznego, który nie jest gazem cieplarnianym.
Czytaj też: Pokłady wodoru znalezione w nieoczywistym miejscu. Mogą zaspokoić nasze potrzeby na setki lat
Nowa ścieżka reakcji reformingu parowego wykorzystuje odkrycie z 2011 r. dokonane w laboratoriach Rice University, że plazmony – zbiorowe oscylacje elektronów, które występują, gdy nanocząstki metalu są wystawione na działanie światła – mogą emitować “gorące nośniki” lub wysokoenergetyczne elektrony i dziury, które mogą być wykorzystywane do napędzania reakcji chemicznych.
Prof. Peter Nordlander z Rice University mówi:
To jedno z naszych najbardziej znaczących odkryć do tej pory, ponieważ oferuje ulepszoną alternatywę dla prawdopodobnie najważniejszej reakcji chemicznej dla współczesnego społeczeństwa. Opracowaliśmy zupełnie nowy, znacznie bardziej zrównoważony sposób przeprowadzania reformingu parowego.
Nowy system katalityczny wykorzystuje nanocząstki miedzi jako anteny zbierające energię. Jednak ponieważ powierzchnia plazmoniczna nanocząstek miedzi nie wiąże się dobrze z metanem, potrzebne były atomy rodu. Te wiążą wodę i cząsteczki metanu z powierzchnią plazmoniczną, wykorzystując energię gorących nośników do zasilania reakcji reformingu parowego.
Poza produkcją wodoru, nowa metoda może być wykorzystana do regeneracji katalizatorów stosowanych w innych reakcjach chemicznych, co obniża koszty i zmniejsza ilość odpadów przemysłowych.
Jak podkreśla prof. Naomi Halas z Rice University:
Światło jest najczystszym i najpowszechniejszym źródłem energii. Jeśli możemy je wykorzystać w sposób efektywny, możliwości są niemal nieograniczone.
Odkrycie naukowców z Rice University otwiera nowe perspektywy dla ekologicznej produkcji wodoru. Jeśli uda się je zastosować na skalę przemysłową, może to oznaczać przełom nie tylko dla energetyki, ale także dla całego przemysłu chemicznego. Światło, jako katalizator zmian, może ostatecznie zrewolucjonizować nasze podejście do energii.