Прорыв позволяет легко разделять и хранить газ

15 июля 2022 г.

Эллен Фиддиан — научный журналист Cosmos. Она имеет степень бакалавра (с отличием) в области химии и научных коммуникаций, а также степень магистра в области научной коммуникации, полученные в Австралийском национальном университете.

Любой, кто когда-либо завязывал воздушный шар, знает, как трудно хранить газ. Для достижения больших масштабов требуется гораздо больше энергии и усилий, что серьезно раздражает многих людей в энергетической отрасли. Появление водородного топлива и улавливания углерода только сделает эту проблему еще более серьезной.

Еще сложнее разделить газовые смеси – например, различные углеродосодержащие газы, образующиеся при добыче и переработке ископаемого топлива. Для разделения и хранения в промышленности обычно используется охлаждение газов до тех пор, пока они не станут жидкими, что является энерго- и ресурсоемким процессом.

Но прорыв австралийских исследователей может изменить ситуацию. Их метод работает при комнатной температуре и давлении и требует лишь небольшого количества нитрида бора и шарикоподшипников.

На данный момент исследователи показали, что он может отделять различные типы углеводородных газов, таких как метан и ацетилен, которые затем можно чисто и эффективно хранить. Он также может работать на водороде или, возможно, углекислом газе.

В этом методе используется соединение под названием нитрид бора, которое (что неудивительно) состоит из бора и азота. Порошок нитрида бора помещают в шаровую мельницу – вращающуюся мельницу – вместе с интересующим газом или газами.

«Когда мы впервые поместили эти углеводороды в нитрид бора, газ полностью исчез», — говорит доктор Шрикант Матети, научный сотрудник Института передовых материалов Университета Дикина.

Результат был настолько необычным, что Матети и его коллегам пришлось повторить его несколько раз, прежде чем они убедились, что это не ошибка.

«Затем мы попробовали это еще раз 20, 30 раз. Почему это произошло? Это был эксперимент или утечка газа, он плохо загерметизирован? Мы настроили каждый параметр, и все равно он вел себя так же».

Исследователи поняли, что полученный ими нитрид бора может очень хорошо связываться с некоторыми газами. Газы, с которыми он связывается, представляют собой классы соединений, называемых «олефинами» и «алкинами» — ацетилен, обычное топливо, является разновидностью алкина.

Им удалось выяснить химическую причину этого.

«Электронная конфигурация азота и конфигурация некоторых молекул газа совпадают», — говорит Матети.

Сочетание нитрида бора и шаровой мельницы создает механохимическую реакцию, которая поглощает олефиновые и алкиновые газы в порошок. Но он игнорирует другие газы, например, метан.

Это означает, что смесь метана и ацетилена, очень схожих по химическому составу, можно легко разделить. Это также означает, что ацетилен можно безопасно транспортировать с места на место в виде порошка.

Когда порошок нагревается в вакууме, он снова выделяет газ.

Порошок нитрида бора можно использовать повторно. Весь процесс очень энергоэффективен: для хранения 1000 литров газа используется всего около 80 килоджоулей в секунду.

Хотя исследователи продемонстрировали, что это работает для ацетилена и этилена, они уверены, что его можно адаптировать для хранения других газов, таких как водород или углекислый газ.

«Мы работаем над этим», — говорит Матети.

Он говорит, что система также будет работать для отделения и удаления углеродных примесей из водорода перед его использованием в топливных элементах. «Если водород нечистый, он разрушит топливный элемент. Поэтому вам нужна какая-то система очистки. Вы можете использовать наш.

Исследователи смогли легко отделить пару литров газа в своей лаборатории. Поскольку здесь используется общепринятый промышленный метод, масштабирование процесса должно быть простым.

«Нам просто нужно оптимизировать некоторые параметры — рецепты приготовления», — говорит Матети. «Например, содержание газов и сколько материала вам нужно, сколько шаровой мельницы».

Они подали предварительную заявку на патент на этот процесс и планируют опробовать его в промышленном масштабе.

Статья с описанием их открытия опубликована в журнале Materials Today.