Đúc lại vai trò của chất oxy hóa trong quá trình nhiệt phân mêtan
Việc kết hợp một lượng nhỏ chất oxy hóa vào quá trình nhiệt phân mêtan có thể tăng đáng kể sản lượng cacbon và hydro và duy trì hoạt động của chất xúc tác. Vì chất oxy hóa thường được coi là chất gây ô nhiễm trong quá trình nhiệt phân mêtan, nên công trình này đặt ra câu hỏi về niềm tin lâu đời về quy trình này.
Nhiệt phân mêtan sử dụng nhiệt để phân hủy mêtan khi không có oxy, tạo ra khí hydro và cacbon rắn. Thêm chất xúc tác sẽ làm giảm nhiệt độ cần thiết và tăng tốc phản ứng. Đây là một con đường đầy hứa hẹn để tạo ra hydro phát thải thấp hoặc không phát thải, với lợi ích bổ sung là phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có, giúp dễ dàng mở rộng quy mô. Thêm vào đó, sản phẩm phụ cacbon rắn có thể được sử dụng hiệu quả.
Làm việc với lò phản ứng tầng sôi chứa chất xúc tác Fe/Al₂O₃ ở 750°C, Marco Gigantino, Henry Moise và các đồng nghiệp từ Đại học Stanford ở Hoa Kỳ đã chứng minh rằng chỉ cần đưa 5% carbon dioxide vào dòng khí mê-tan đã tăng gấp đôi sản lượng carbon trong hơn một giờ hoạt động, với sự gia tăng hydro tương ứng. Sự bổ sung này tạo ra carbon monoxide như một sản phẩm phụ. Kính hiển vi cho thấy carbon dioxide cho phép hình thành các lớp carbon dày dễ bị tách ra thông qua quá trình lưu hóa, lý tưởng để thu hoạch carbon rắn mà không làm mất hoạt tính chất xúc tác.
Thêm nước và oxy mang lại những lợi ích tương tự. Tỷ lệ chất oxy hóa trên methane tối ưu đã được xác định cho cả carbon dioxide và nước, mỗi chất tạo ra nhiều carbon hơn 30% so với methane đơn lẻ sau 14 phút. Khi thử nghiệm trên chất xúc tác Ni/Al₂O₃ và Co/Al₂O₃, đồng cấp carbon dioxide tiếp tục hoạt động tốt hơn các điều kiện chỉ có methane.
Cementite (Fe3C) là chất trung gian quan trọng trong quá trình phân hủy methane. Gigantino và các cộng sự đã xác định rằng chất oxy hóa đẩy nhanh quá trình phân hủy cementite, thúc đẩy sản xuất carbon bằng cách tái tạo các vị trí hoạt động trên bề mặt chất xúc tác. Điều này cho thấy các pha chất xúc tác luôn thay đổi. Tuy nhiên, ở mức chất oxy hóa cao, cementite chuyển thành oxit sắt, làm giảm hoạt động của chất xúc tác - làm nổi bật nhu cầu cân bằng cẩn thận mức chất oxy hóa để nhiệt phân metan hiệu quả.
Phổ Raman cho thấy sự thay đổi tinh tế trong cấu trúc carbon: chất oxy hóa thúc đẩy quá trình loại bỏ carbon vô định hình, tạo điều kiện cho sự phát triển của vật liệu graphit, bao gồm cả ống nano carbon. Nhóm nghiên cứu quan sát thấy rằng điều này không chỉ cải thiện tuổi thọ của chất xúc tác mà còn nâng cao chất lượng của sản phẩm phụ carbon rắn. Họ đã thử nghiệm nhiệt phân metan có sự hỗ trợ của chất oxy hóa trong các lò phản ứng đơn khối và quan sát thấy rằng kết quả phản ánh kết quả trong lớp lưu hóa: các thí nghiệm mang lại tỷ lệ chuyển đổi cao hơn và tích tụ carbon lớn hơn khi sử dụng đồng cấp oxy hóa.
Nguồn: © Matteo Cargnello/Đại học Stanford
Chất oxy hóa đẩy nhanh quá trình phân hủy cementite, thúc đẩy sản xuất carbon bằng cách hỗ trợ tái tạo các vị trí hoạt động trên bề mặt chất xúc tác
Nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu tác động kinh tế tiềm tàng của việc đưa vào một lượng nhỏ chất oxy hóa. Theo Gigantino, 'lợi nhuận cao hơn đến từ việc cần tái chế ít khí mê-tan hơn, giúp cải thiện chi phí vận hành và khả năng tồn tại của toàn bộ quy trình. So với quá trình cải tạo khí mê-tan bằng hơi nước, phương pháp này cũng ít tốn năng lượng hơn đáng kể. Chúng tôi tin rằng mức phạt năng lượng khi tách một lượng nhỏ khí cacbon monoxit là nhỏ so với mức tăng hiệu quả.'
Chester Upham, một nhà khoa học năng lượng sạch đến từ Đại học British Columbia, Canada, mô tả nghiên cứu này là 'một sự bổ sung thú vị và hay ho cho lĩnh vực nhiệt phân, lĩnh vực đang ngày càng được quan tâm như một phản ứng và là cách sản xuất hydro sạch giá cả phải chăng.'
