Schoner de fik in methaan

Schoner de fik in methaan

Het verwijderen van methaan uit uitlaatgassen is een grote uitdaging voor auto- en katalysatormakers. In de afgelopen veertig jaar is het ontwikkelen van een schone katalysator weinig opgeschoten. Nu is er een doorbraak. Een internationaal team van wetenschappers kwam met een nieuwe katalysator die methaan volledig verbrand bij relatief lage temperaturen.

Het rijden op aardgas vervuilt de lucht minder dan rijden op benzine of diesel. Dat komt doordat aardgas voor het grootste deel bestaat uit methaan (CH4): een eenvoudigekoolwaterstof. En bij de verbranding van methaan komt minder CO2 vrij dan bij veel andere brandstoffen. Maar vanwege de stabiele structuur van het methaanmolecuul is het lastig toegang te krijgen tot de energie die erin opgeslagen ligt. Hierdoor wordt in een automotor niet alle methaan volledig verbrand, maar ontsnapt er een deel naar de atmosfeer. Dat is slecht nieuws. Methaan heeft in de atmosfeer als broeikasgas een twintig keer sterker effect dan CO2 en draagt dus bij aan klimaatverandering.

Die methaanverbranding moet schoner kunnen, dachten wetenschappers van deUniversiteit van Pennsylvania en hun Italiaanse en Spaanse collega’s. Het team maakte een materiaal dat de verbranding van methaan dertig keer beter katalyseert dan de huidige katalysatoren, schrijven ze deze week in het tijdschrift Science.

Palladium

De huidige katalysatoren voor methaanverbranding bestaan uit metalen nanodeeltjes, vooral palladium. Zulke katalysatoren verbranden methaan vooral goed bij hogere temperaturen dan die in een automotor. In een zuinige, schone motor moet een katalysator zijn werk kunnen doen bij driehonderd graden Celsius. Maar de katalysatoren van nu hebben temperaturen nodig van zes- tot zevenhonderd graden Celsius om de chemische reacties te laten verlopen. Bijkomend nadeel is dat de palladiumdeeltjes bij deze hoge temperaturen – die bereikt worden door snel auto te rijden – na een tijdje gaan samenklonteren waardoor het werkzame oppervlak kleiner wordt. Dat gaat dan weer ten koste van de activiteit.

De onderzoekers gaven een indrukwekkende draai aan de bestaande palladium-katalysator. Ze gebruikten een methode waarin de palladiumdeeltjes niet kunnen samenklonteren. Hiervoor maakten ze eerst palladiumdeeltjes met een diameter van 1.8 nanometer. Vervolgens werden de nanodeeltjes omgeven door een beschermende poreuze schil van ceriumoxide om de werking te verbeteren. De ontstane bolvormige structuurtjes werden vervolgens op een waterafstotend stukje aluminium geplaatst, zodat de deeltjes gelijkmatig verspreid bleven.

Volledige verbranding

Het materiaal werd getest. Wat bleek? De nieuwe katalysator deed dertig keer beter zijn werk in het verbranden van methaan dan de huidige katalysatoren, bij gebruik van dezelfde hoeveelheid palladium. Al bij vierhonderd graden Celsius verbrande het methaan volledig. Bovendien klonterden de deeltjes niet samen, tot aan temperaturen van achthonderd graden Celsius. In een begeleidend commentaar op het onderzoek schrijftRobert Farrauto van de Universiteit van Columbia in New York dat de verbranding van methaan in moderne automotoren eigenlijk zou moeten gebeuren bij minder dan driehonderd graden. Maar dat neemt niet weg dat het onderzoek een belangrijke stap is in het terugbrengen van de methaanuitstoot, concludeert hij.

De techniek van de Amerikaanse onderzoekers is al vrij gebruikelijk in denanotechnologie, maar wellicht straks ook voor het maken van katalysator-materialen. De onderzoekers zien vooruitzichten voor hun katalysator om de methaanvervuiling door wegverkeer tegen te gaan. Misschien kan de katalysator zelfs de efficiëntie vangasturbines gaan verbeteren, waarin methaan verbrand wordt om energie op te wekken.

De komende tijd gaan de onderzoekers de structuur van de nieuwe katalysator verder bestuderen om beter te begrijpen waarom het zo goed werkt. Daarnaast zullen ze op dezelfde manier nieuwe materialen uit metalen en oxiden gaan maken en uittesten.

Bronnen:

  • M. Cargnello e.a. Exceptional activity for methane combustion over modular Pd@CeO2 subunits on functionalized Al2O3Science. 10 augustus 2012 (online)
  • Robert J. Farrauto. Low-temperature oxidation of methaneScience. 10 augustus 2012 (online)

Dit nieuwsbericht verscheen 10 augustus 2012 op Kennislink

Reageer