Ученые из Кембриджского университета разработали новый реактор, который преобразует природный газ (распространенный источник энергии, состоящий в основном из метана) в два очень ценных ресурса: экологически чистое водородное топливо и углеродные нанотрубки, которые являются сверхлегкими и намного прочнее стали.

Водород — перспективное экологически чистое топливо, поскольку он сгорает полностью, выделяя только водяной пар и ноль углекислого газа. Однако современный способ производства водорода обычно включает использование пара под высоким давлением для расщепления молекул газа, что приводит к выделению значительного количества CO₂ _в качестве побочного продукта.

Чтобы избежать этого, команда из Кембриджа хотела усовершенствовать технологию, называемую пиролизом метана , которая преобразует метан в водород и твердый углерод без образования углекислого газа. Однако до сих пор никому не удавалось эффективно реализовать этот процесс для крупномасштабного использования, поскольку традиционные реакторы расходуют слишком много газа впустую.

Многоходовой реактор

Ученые решили проблему, создав многопроходный реактор, как подробно описано в статье, опубликованной в журнале Nature Energy . Вместо того чтобы пропускать газ через систему только один раз, что приводит к значительным потерям и расходу энергии, неиспользованный газ непрерывно рециркулируется. Метан продолжает проходить обратно через горячий реактор до тех пор, пока большая его часть не превратится в водород и аэрогели из углеродных нанотрубок.

Работая в замкнутом контуре , реактор минимизирует количество отходов материала. Такой подход привел к значительному повышению производительности по сравнению с однопроходными реакторами, как сообщают исследователи в своей статье: «Многопроходный реактор продемонстрировал 8,7-кратное увеличение выхода углерода и 446-кратное увеличение молярной эффективности процесса [эффективность использования каждой молекулы газа системой]».

От лаборатории к реальному миру

Исследование проводилось на лабораторном реакторе, но чтобы увидеть, как многоступенчатая система будет работать в реальных условиях, исследователи запустили компьютерную модель более крупной версии, разработанной для промышленного использования. Они использовали данные с реального промышленного предприятия, чтобы сделать моделирование максимально точным.

Команда обнаружила, что конструкция замкнутого контура позволяет преобразовывать 75% газа, поступающего в систему, в полезные ресурсы, производя углеродные нанотрубки и водород в массовом соотношении 3:1. Другими словами, на каждые 4 килограмма метана, успешно преобразованных системой в полезные ресурсы, приходится 3 килограмма нанотрубок и 1 килограмм водорода.

Этот процесс не только позволит производить более прочные и экологичные материалы для строительной отрасли, но и обеспечит нас большим количеством чистого топлива для энергетических нужд. Но прежде чем это произойдет, предстоит еще много работы по разработке. Как отмечают исследователи: «Этот процесс может сократить выбросы парниковых газов, но для внедрения этой технологии в значительных масштабах необходимы существенные разработки».