Araştırmacılar, sera gazını enerjiye, malzemelere geri dönüştürmek için yeni teknoloji geliştiriyor

Bir çift Central Florida Üniversitesi araştırmacısı, zararı dokunan sera gazı metandan enerji ve araç-gereç üretmek için yeni yöntemler geliştirdi.

ABD Çevre Koruma Ajansı’na bakılırsa, metanın Dünya atmosferi üstündeki karşılaştırmalı tesiri, 100 senelik bir süre süresince, başka bir büyük sera gazı olan karbondioksitten 28 kat daha fazladır.

Bunun sebebi, atmosferde karbondioksitten daha kısa bir ömre haiz olmasına karşın metanın radyasyonları tutmada daha verimli olmasıdır.

Başlıca metan emisyon kaynakları içinde enerji ve endüstri, ziraat ve depolama alanları yer alır.

Yeni UCF yenilikleri, metanın yeşil enerji üretiminde kullanılmasını ve akıllı cihazlar, biyoteknoloji, güneş pilleri ve daha fazlası için yüksek performanslı malzemeler oluşturulmasını sağlıyor.

Buluşlar, son 10 senedir UCF’de araştırma işbirlikçisi olan nanoteknoloji uzmanı Laurene Tetard ve kataliz uzmanı Richard Blair’den geliyor.

Tetard, UCF Fizik Kısmı’nde doçent ve başkan yardımcısıdır ve NanoScience Teknoloji Merkezi’nde araştırmacıdır ve Blair, UCF’nin Florida Uzay Enstitüsü’nde araştırma profesörüdür.

Hidrojen üretmek için daha iyi, daha temiz bir teknoloji

Birinci buluş, karbon gazı salmadan metan şeklinde hidrokarbonlardan hidrojen üretme yöntemidir.

Lazer, lamba yada güneş deposu şeklinde görünür ışık ve kusurlu tasarlanmış bor açısından varlıklı fotokatalizörler kullanan yenilik, görünür ışık destekli soruşturma ve metan şeklinde hidrokarbonların dönüştürülmesi için nano ölçekli malzemelerin yeni bir işlevselliğini vurgulamaktadır. Kusur mühendisliği, düzensiz yapılı malzemeler yaratmayı ifade eder.

UCF buluşu, geleneksel katalizörler üstünde daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelen reaksiyonlarda yaygın olan, daha yüksek poliaromatik bileşikler, karbon dioksit yada karbon monoksit şeklinde kirletici maddelerden arındırılmış hidrojen üretir.

Geliştirme, potansiyel olarak enerji oluşturmak için kullanılan katalizörlerin maliyetini düşürebilir, görünür bölgede daha çok fotokatalitik dönüşüme izin verebilir ve kataliz için güneş enerjisinin daha verimli kullanılmasını sağlayabilir.

Pazar uygulamaları, güneş çiftliklerinde ihtimaller içinde büyük ölçekli hidrojen üretimini ve metanın yakalanmasını ve dönüştürülmesini ihtiva eder.

Blair, “Bu buluş aslına bakarsak bir ikili” diyor. “Yeşil hidrojen elde edersiniz ve metanı hakkaten ayırmazsınız. Metanı piller şeklinde şeyler için kullanılabilecek yalnız hidrojen ve saf karbona dönüştürürsünüz.”

Geleneksel hidrojen üretiminin metan ve su ile yüksek sıcaklıklar kullandığını, sadece bu işlemin hidrojene ek olarak karbondioksit de ürettiğini söylüyor.

Blair, “Sürecimiz bir sera gazı olan metan alıyor ve onu sera gazı olmayan bir şeye ve iki kıymetli ürün olan hidrojen ve karbona dönüştürüyor” diyor Blair. “Ve metanı döngüden çıkardık.”

UCF’nin Exolith Laboratuvarında, sistemi büyük bir güneş yoğunlaştırıcıya koyarak güneş ışığını kullanarak metan gazından hidrojen üretebildiklerini belirtti.

Bunu bilerek, bolca enerji kaynaklarına haiz olmayan ülkelerin buluşu kullanabileceğini, şundan dolayı gereksinim duydukları tek şeyin metan ve güneş ışığı bulunduğunu söylüyor.

Petrol ve organik gaz sistemlerinin yanı sıra, çöplüklerde, endüstriyel ve tarımsal alanlarda ve atık su arıtma tesislerinde metan bulunmaktadır.

Büyüyen kirletici madde içermeyen karbon nano/mikro yapılar

Tetard ve Blair tarafınca geliştirilen bu teknoloji, kontrollü boyutlara haiz karbon nano ölçekli ve mikro ölçekli yapılar üretmek için bir yöntemdir. Oldukca sayıda karbon kaynağından desenli, iyi tanımlanmış nano ölçekli ve mikro ölçekli yapılar yapmak için ışık ve kusurla tasarlanmış bir fotokatalizör kullanır. Örnekler içinde metan, etan, propan, propen ve karbon monoksit bulunur.

Tetard, “Polimer 3D yazıcı yerine karbon 3D yazıcıya haiz olmak şeklinde bir şey” diyor. “Bu şekilde bir aracımız var ise, o süre bir ihtimal bugün olanaksız olan bazı karbon iskele tasarımları bile bulabiliriz.”

Blair, rüyanın metandan yüksek performanslı karbon malzemeler yapmak bulunduğunu söylüyor, ki bu şu anda pek iyi yapılmıyor, diyor.

Blair, “Dolayısıyla bu buluş, metandan bu tür malzemeleri büyük bir endüstriyel ölçekte sürdürülebilir bir halde yapmanın bir yolu olacaktır” diyor.

Üretilen karbon yapıları ufak fakat iyi yapılandırılmıştır ve duyarlı boyutlar ve desenlerle duyarlı bir halde düzenlenebilir.

Blair, “Şimdi, kim bilir tıbbi cihazlar yada yeni kimyasal sensörler için yüksek maliyetli uygulamalardan bahsediyorsunuz” diyor. “Burası her türlü ürünü geliştirmek için bir platform haline geliyor. Uygulama yalnız hayal gücü ile sınırı olan.”

Gelişme süreci değişik dalga boylarında ayarlanabildiğinden, tasarım şekilleri çeşitli lazerleri yada güneş ışığını içerebilir.

Tetard’ın nano ölçekte çalışan laboratuvarı şimdi boyutu küçültmeye çalışıyor.

“Süreçten bir şeyler öğrenmenin ve onu daha ufak ölçeklerde bile iyi mi çalıştırabileceğimizi, ışığı küçücük bir hacimde denetim etmenin bir yolunu bulmaya çalışıyoruz” diyor.

“Şu anda, yapıların boyutu mikro ölçekte şundan dolayı yarattığımız ışık odak hacmi mikro boyutta” diyor. “Kısaca, ışığı küçücük bir hacimde denetim edebilirsek, bir ihtimal bin kat daha ufak desenli nanoyapılar için nano boyutlu nesneler büyütebiliriz. Bu, gelecekte uygulamayı düşündüğümüz bir şey. Ve sonrasında, eğer bu mümkün olursa, Bununla yapabileceğimiz birçok şey var.”

Karbon üretmek için daha iyi, daha temiz bir teknoloji

Araştırmacıların hidrojen üretmeye yönelik daha iyi, daha temiz teknolojisi, görünür ışık kullanarak kusurlu tasarlanmış bor nitrürden karbon icra eden daha önceki yenilikçi bir yönteminden esin aldı.

Metal içermeyen bir katalizör, kusurlu mühendislik ürünü bor nitrür ile görünür ışık bağlantısı tarafınca sağlanan enerji ile hidrokarbonların kimyasal olarak parçalanması yöntemiyle karbon ve hidrojen üretmenin yeni bir yolunu keşfettiler.

Öteki yöntemlerle karşılaştırıldığında, daha iyidir şundan dolayı mühim oranda enerji, süre yada safsızlık bırakan hususi reaktifler yada öncüler gerektirmez.

Geriye kalan tek şey, hiçbiri insanoğlu yada çevre için toksik olmayan karbon ve bazı yaratı oranda bor ve nitrojendir.

Fotokimyasal dönüşüm teknolojisi, nanoelektronik, enerji depolama, kuantum cihazları ve yeşil hidrojen üretimi için sensörler yada yeni bileşenler dahil olmak suretiyle birçok uygulamaya uygundur.

Kuvvetli ortaklık

Uzun süredir araştırma ortakları olan Tetard ve Blair, “İlk başta başaramazsan, dene, yine dene” şeklindeki eski deyişe oldukca aşinadırlar.

Tetard, “Hakikaten coşku verici sonuçlar elde etmek birazcık süre aldı” diyor. “Başlangıçta, halletmeye çalıştığımız tanımlamaların bir çok istediğimiz şeklinde çalışmıyordu. Kafa karıştırıcı gözlemleri tartışmak için pek oldukca kez oturduk.”

Gene de ilerlemeye devam ettiler ve azimleri yeni icatlarıyla meyvesini verdi.

Tetard, “Richard’ın sorunların iyi mi çözüleceğine dair milyonlarca değişik fikri var” diyor. “Kısaca sonunda işe yarayan bir şey bulacağız.”

O ve Blair, 2013’te UCF’nin fizik bölümünde tanıştıktan kısa bir süre sonrasında güçlerini birleştirdiler. Blair kimyasal bileşik bor nitrürde “duyulmamış” katalitik özellikler keşfetmişti ve bilgiyi yayınlamak ve daha çok araştırma yapmak istiyordu.

Kuramsal modelleme için bir işbirlikçisi vardı, Fizik Kısmı’nde seçkin bir Pegasus Profesörü olan Talat Rahman, sadece bulguları karakterize edecek birine ihtiyacı vardı.

“Karakterizasyon düzeyinde, gücüm burada değil” diyor. “Laurene’in kuvvetli yanlarını tamamlayan kuvvetli yönlerim var. Beraber bir şeyler yapmış olup yapamayacağımızı ve gördüklerimize birazcık içgörü katabileceğini görmek mantıklıydı.”

Bu yüzden, Rahman ve ABD Ulusal Bilim Vakfı ile ortaklık içinde, metal içermeyen bir katalizör olan kusur yüklü, altıgen (kristal yapılı) bor nitrürün katalitik özelliklerine ilişkin moleküler bir anlayış kazanmayı umdular.

Tipik katalizörler çoğu zaman metallerden oluşur ve kimi zaman “beyaz grafit” olarak adlandırılan bor nitrürün ıslak özelliklerinden dolayı birçok endüstriyel kullanımı vardır, sadece kataliz için kullanılmaz.

Blair, “Biz gelene kadar, bu tür bir bor nitrürün inert olduğu düşünülüyordu,” diyor. “Bir ihtimal bir yağlayıcı, bir ihtimal kozmetik için. Fakat herhangi bir kimyasal kullanımı yoktu. Sadece, kusurlu mühendislikle araştırma ekibi, bileşiğin muhtemelen büyük hacimlerde karbon ve yeşil hidrojen üretme mevzusunda büyük bir potansiyele haiz bulunduğunu buldu.”

Ekibin, görünür ışık kullanarak kusurlu tasarlanmış bor nitrürden karbon yapmak için geliştirdiği teknoloji beklenmedik bir halde geldi.

Blair, katalizörün yüzeyini çözümleme etmek için onu ufak bir kaba yerleştireceklerini, propen şeklinde bir hidrokarbon gazıyla basınçlandıracaklarını ve peşinden lazer ışığına maruz bırakacaklarını söylüyor.

“Her seferinde sinir bozucu iki şey yapmış oldu” diyor. “Katalizörün kendisi, ihtiyacımız olan herhangi bir veriyi karartan ışık yaydı ve talebe ‘yanıyor’ demeye devam etti ve ben bunun olanaksız bulunduğunu söyleyebilirim. Katalizörde karbon yok.”

Tetard, “Ve oksijen yoktu” diye ekliyor. Şaşırdılar.

“O yanan noktayı incelemek istiyorsak, daha büyük olması gerekiyordu” diyor.

Daha büyük bir numune üretmeyi başardıklarında, onu elektron mikroskobu altına koydular.

Tetard, “Bazı çizgiler görmeye başladık, sadece bu gevşek, dağınık bir toz, bu yüzden sipariş edilmemeli,” dedi. “Sadece birazcık daha yakınlaştırdığımızda, üzerine yapışmış kusurlu tasarlanmış bor nitrür tozuyla beraber birazcık karbon ve çokça gördük.”

Bulgu, düşük sıcaklıklarda hidrojen üretimine ve sera gazı yada kirletici madde salınımı olmaksızın bir yan ürün olarak karbon üretimine izin vereceğinden, problem olarak görülen şey aslına bakarsak talih eseriydi.