Tái định hình vai trò của chất oxy hóa trong quá trình nhiệt phân metan
Việc bổ sung một lượng nhỏ chất oxy hóa vào quá trình nhiệt phân metan có thể tăng cường đáng kể sản lượng carbon và hydro, đồng thời duy trì hoạt tính của chất xúc tác. Do chất oxy hóa thường được coi là chất gây ô nhiễm trong quá trình nhiệt phân metan, nghiên cứu này đặt ra câu hỏi về những quan niệm lâu nay về quy trình này.
Nhiệt phân metan sử dụng nhiệt để phân hủy metan trong điều kiện không có oxy, tạo ra khí hydro và carbon rắn. Việc bổ sung chất xúc tác sẽ làm giảm nhiệt độ cần thiết và tăng tốc phản ứng. Đây là một hướng đi đầy hứa hẹn để sản xuất hydro phát thải thấp hoặc bằng không, với lợi ích bổ sung là phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có, giúp dễ dàng mở rộng quy mô. Hơn nữa, sản phẩm phụ carbon rắn có thể được sử dụng hiệu quả.
Sử dụng 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, Hoa Kỳ, đã chứng minh rằng việc bổ sung chỉ 5% carbon dioxide vào dòng khí mê-tan đã tăng gấp đôi sản lượng carbon sau một giờ vận hành, 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 thập carbon rắn mà không làm mất hoạt tính chất xúc tác.
Việc bổ sung nước và oxy mang lại những lợi ích tương tự. Tỷ lệ chất oxy hóa/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 được thử nghiệm trên các chất xúc tác Ni/Al₂O₃ và Co/Al₂O₃, việc đồng cấp carbon dioxide tiếp tục hoạt động tốt hơn so với 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 làm tăng tốc độ 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 xúc tác luôn thay đổi. Tuy nhiên, ở mức oxy hóa cao, cementite chuyển thành oxit sắt, làm giảm hoạt tính của chất xúc tác - làm nổi bật sự cần thiết phải cân bằng cẩn thận mức độ oxy hóa để nhiệt phân metan hiệu quả.
Phổ Raman cho thấy một 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 nhận thấy 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 hỗ trợ oxy hóa trong các lò phản ứng đơn khối và nhận thấy kết quả tương tự như trong lò tầng sôi: các thí nghiệm cho thấy tỷ lệ chuyển đổi cao hơn và tích lũy carbon nhiều hơn khi sử dụng đồng cấp oxy.
Nguồn: Matteo Cargnello/Đại học Stanford
Các 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 năng của việc bổ sung một lượng nhỏ chất oxy hóa. Theo Gigantino, "lợi nhuận cao hơn đến từ việc cần tái chế ít khí metan hơn, giúp cải thiện chi phí vận hành và khả năng hoạt động tổng thể của quy trình. So với phương pháp cải tạo khí metan bằng hơi nước, phương pháp này cũng tiêu tốn ít năng lượng hơn đáng kể. Chúng tôi tin tưởng rằng chi phí năng lượng để tách một lượng nhỏ carbon monoxide là không đáng kể so với hiệu quả đạt được."
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 bổ sung cho lĩnh vực nhiệt phân, một lĩnh vực đang ngày càng được quan tâm như một phản ứng và là một phương pháp sản xuất hydro sạch giá cả phải chăng."
