Ένας καινοτόμος καταλύτης μετατρέπει το μεθάνιο σε καύσιμα. New catalyst for making fuels from shale gas

Επίτευγμα ελλήνων και αλλοδαπών επιστημόνων. Methane in shale gas can be turned into hydrocarbon fuels using an innovative platinum and copper alloy catalyst, according to new research led by UCL and Tufts University. STM imaging of reaction intermediates on Cu(111) and Pt/Cu SAA surfaces. Credit: Sykes

Το μεθάνιο του σχιστολιθικού αερίου μετατρέπει αποτελεσματικά σε καύσιμα υδρογονανθράκων ένας καινοτόμος καταλύτης, τον οποίο δημιούργησαν έλληνες χημικοί μηχανικοί σε Βρετανία και ΗΠΑ, σε συνεργασία με ξένους συναδέλφους τους. O καταλύτης αποτελείται από ένα νέου τύπου κράμα πλατίνας και χαλκού.

Η πλατίνα ή το νικέλιο διασπά τους χημικούς δεσμούς άνθρακα-υδρογόνου του μεθανίου, το οποίο υπάρχει στο σχιστολιθικό αέριο, όμως η διαδικασία αυτή προκαλεί τη λεγόμενη οπτανθρακοποίηση, δηλαδή το μέταλλο σταδιακά καλύπτεται από ένα στρώμα άνθρακα, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη πλέον η χημική διαδικασία της κατάλυσης πάνω στην επιφάνεια του μετάλλου.

Ο νέος καταλύτης, χάρη στο πρωτοποριακό κράμα του, είναι ανθεκτικός στην οπτανθρακοποίηση, συνεπώς διατηρεί την αποτελεσματικότητά του και επιπλέον απαιτεί λιγότερη ενέργεια για να διασπάσει τους χημικούς δεσμούς των άλλων υλικών.

Σήμερα οι διαδικασίες μετατροπής του μεθανίου σε καύσιμα είναι άκρως ενεργοβόρες, απαιτώντας θερμοκρασίες περίπου 900 βαθμών Κελσίου. Με το νέο καταλύτη δε χρειάζεται να ξεπερνούν τους 400 βαθμούς, πράγμα που επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Μιχαήλ Σταματάκη της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημιακού Κολεγίου του Λονδίνου (UCL), που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Χημείας "Nature Chemistry", συνδύασαν πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους, για να δείξουν την αποτελεσματικότητα του νέου καταλύτη.

Διαπιστώθηκε ότι η πλατίνα διασπά τους δεσμούς άνθρακα-υδρογόνου του μεθανίου και ο χαλκός βοηθά στο «ζευγάρωμα» μορίων υδρογονανθράκων διαφορετικού μεγέθους, κάτι που ανοίγει το δρόμο για τη μετατροπή του μεθανίου σε χρήσιμα καύσιμα. Ακόμη, οι επιστήμονες έδειξαν ότι το κράμα είναι πολύ σταθερό και απαιτεί μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα πλατίνας για να δουλέψει, κάτι σημαντικό για το κόστος του καταλύτη.

«Χρησιμοποιήσαμε υπερυπολογιστές για να μοντελοποιήσουμε πώς συμβαίνουν οι χημικές αντιδράσεις, δηλαδή τη διάσπαση και τη δημιουργία των δεσμών σε μικρά μόρια πάνω στην επιφάνεια του κράματος του καταλύτη, καθώς επίσης να προβλέψουμε την απόδοσή του σε μεγάλες κλίμακες» δήλωσε ο Σταματάκης.

 Maria Flytzani-Stephanopoulos. Photo: Kelvin Ma

Σημαντική συμβολή στην ανακάλυψη είχε και η άλλη επικεφαλής της έρευνας, η διακεκριμένη καθηγήτρια Μαρία Φλυτζάνη - Στεφανοπούλου του Τμήματος Χημικών & Βιολόγων Μηχανικών και διευθύντρια του Εργαστηρίου Νανοκατάλυσης και Ενέργειας του Πανεπιστημίου Ταφτς των ΗΠΑ. Όπως είπε, «ο επόμενος στόχος θα είναι η αξιοποίηση του καταλύτη σε βιομηχανικές εφαρμογές».

Στη μελέτη συμμετείχε και ο καθηγητής Θεωρητικής Χημείας του UCL Άγγελος Μιχαηλίδης. Η ερευνητική ομάδα, σύμφωνα με πληροφορίες του Αθηναϊκού και Μακεδονικού Πρακτορείου Ειδήσεων, σχεδιάζει τώρα να αναπτύξει περαιτέρω καταλύτες που θα είναι εξίσου ανθεκτικοί στην οπτανθρακοποίηση, η οποία παραδοσιακά πλήττει τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται για κατάλυση.

Dr Michail Stamatakis obtained his Diploma in Chemical Engineering from the National Technical University of Athens (Greece) in 2004, having graduated 1st in his cohort. He subsequently joined Rice University (Houston, Texas, USA) for his Doctoral studies which he completed under the advising of Prof. Kyriacos Zygourakis in 2009. From 2009 to 2012, Dr Stamatakis performed post-doctoral research at the University of Delaware (Newark, Delaware, USA) in the research group of Prof. Dionisios G. Vlachos. He joined UCL in August 2012, where he is currently a Lecturer in Chemical Engineering.

Ο Μ. Σταματάκης αποφοίτησε από τη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ το 2004, πήρε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο Ράις του Χιούστον (Τέξας) και από το 2012 διδάσκει στο UCL.

Η Μ. Φλυτζάνη - Στεφανοπούλου αποφοίτησε επίσης από τους Χημικούς Μηχανικούς του ΕΜΠ και πήρε το διδακτορικό της από το Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, ενώ από το 1994 διδάσκει στο Πανεπιστήμιο Ταφτς, έχοντας προηγουμένως εργαστεί στο ΜΙΤ και στη NASA. Θεωρείται μια από τις σημαντικότερες ερευνήτριες στο πεδίο των καταλυτών διεθνώς και έχει κατ' επανάληψη βραβευτεί για το έργο της.

Πηγές: Matthew D. Marcinkowski, Matthew T. Darby, Jilei Liu, Joshua M. Wimble, Felicia R. Lucci, Sungsik Lee, Angelos Michaelides, Maria Flytzani-Stephanopoulos, Michail Stamatakis, E. Charles H. Sykes. Pt/Cu single-atom alloys as coke-resistant catalysts for efficient C–H activation. Nature Chemistry, 2018; DOI: 10.1038/nchem.2915 - http://www.ucl.ac.uk/news/news-articles/0118/080118-catalyst-fuel-production - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=931591