14.01.2021 - University of Illinois at Chicago

"Schweizer Taschenmesser"-Katalysator kann Erdgas sauberer verbrennen lassen

Absenkung der Verbrennungstemperatur für Methan

Reza Shahbazian-Yassar, Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der University of Illinois Chicago, und seine Kollegen ermöglichten die Entwicklung eines hochmodernen "Schweizer Taschenmesser"-Katalysators, der aus zehn verschiedenen Elementen besteht - von denen jedes für sich genommen die Fähigkeit hat, die Verbrennungstemperatur von Methan zu senken - plus Sauerstoff. Dieser einzigartige Katalysator kann die Verbrennungstemperatur von Methan um etwa die Hälfte senken - von über 1400 Grad Kelvin auf 600 bis 700 Grad Kelvin.

In einer bereits veröffentlichten Forschungsarbeit haben Shahbazian-Yassar und Kollegen gezeigt, dass es möglich ist, mit Hilfe einer einzigartigen Schockwellen-Technik Multi-Element-Nanopartikel-Katalysatoren zu erzeugen, die als Hochentropie-Legierungen bekannt sind. Zuvor hatten Materialwissenschaftler keine ernsthaften Versuche unternommen, Nanopartikel aus mehr als drei Elementen herzustellen, da die Atome der einzelnen Elemente dazu neigen, sich voneinander zu trennen und unbrauchbar zu werden.

Unter Ausnutzung des einzigartigen Echtzeit-Hochtemperatur-Elektronenmikroskopiesystems an der UIC zeigte das Team um Shahbazian-Yassar, dass hochentropische Nanopartikel aus 10 Metalloxiden bei Temperaturen von bis zu 1.073 Grad Kelvin sehr stabil waren und die einzelnen Elemente gleichmäßig in jedem Nanopartikel verteilt waren und eine einzige, im festen Zustand stabile kristalline Struktur bildeten.

Ihre Metalloxid-Legierung enthielt verschiedene Mischungen von Übergangsmetallen, die zu den Seltenen Erden gehören, und Edelmetallen plus Sauerstoff.

"Es ist fast unmöglich, eine perfekte Mischung dieser Elemente in einer festen Phase aufrechtzuerhalten, aufgrund der Unterschiede im Atomradius, der Kristallstruktur, des Oxidationspotentials und der elektronischen Eigenschaften der Elemente", sagte Zhennan Huang, ein Doktorand in Shahbazian-Yassars Labor und Co-Erstautor der Arbeit. "Aber wir konnten zeigen, dass dies möglich ist."

"Unter mehreren Legierungen mit mehreren Elementen, die wir erstellt haben, waren die Partikel aus 10 Elementen nicht nur am effektivsten bei der Senkung des Verbrennungspunkts von Methangas, sondern auch am stabilsten bei diesen Temperaturen", sagte Shahbazian-Yassar, der korrespondierender Autor des Papiers ist.

Die Forscher glauben, dass der Katalysator verwendet werden könnte, um den Ausstoß von schädlichen Treibhausgasen zu reduzieren, die bei der Verbrennung von Erdgas in einzelnen Haushalten, in Stromturbinen und sogar in Autos, die mit komprimiertem Erdgas betrieben werden, entstehen.

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