宾夕法尼亚州立大学詹妮弗·马修斯 这些图像显示了微波等离子体中产生的纳米石墨形态
纳米石墨在这里以皱巴巴的丝状形式出现
放大显示重叠的纸张和卷曲的边缘
学分:H Quest 宾夕法尼亚州立能源管理系统研究所的研究人员和一家总部位于匹兹堡的初创公司建立了一种多学科合作关系，这种关系可能是减少全球温室气体排放的答案，同时也为扰乱化学和材料行业铺平了道路
自2015年以来，能源和矿物工程及材料科学与工程教授、隶属于环境管理系统能源研究所的兰迪·范德瓦尔(Randy Vander Wal)一直与先锋集团(H Quest Vantage)合作开展越来越多的项目，这些项目利用该公司的等离子体技术来实现煤和天然气潜在的非辐射性新用途
“宾夕法尼亚州立大学材料表征实验室的独特能力为赫克斯特等离子体材料的特性提供了宝贵的见解，对于建立适合商业化的产品至关重要，”赫克斯特首席执行官乔治·斯科普索夫说
此次合作产生了五个研究项目，旨在在21世纪将煤炭和天然气改造成清洁、经济高效的燃料和高性能材料来源
减少温室气体排放 虽然地球的气候在历史上发生了变化，但目前的科学共识是，目前的全球变暖趋势可能是人类活动的结果，即化石燃料燃烧产生的温室气体排放
转向清洁燃料被认为是减少这些排放的一个关键组成部分
特别是氢，是一种很有前途的能源载体，因为燃烧它只会产生水，而不会产生二氧化碳
但是纯分子形式的氢非常罕见
然而，它以水(11%质量的氢)和甲烷(天然气的主要成分——25%质量的氢)的形式大量存在
事实上，根据美国
S
能源部，目前美国95%的氢燃料
S
是从天然气中提取的
最广泛使用的制氢工业过程——蒸汽-甲烷重整——利用蒸汽加热天然气中的甲烷，产生一氧化碳和氢气
不幸的是，这个过程有很大的温室气体排放足迹，消耗大量的水
甲烷热分解将天然气加热到2000华氏度以上，使碳氢化合物分子破裂，提取氢气，留下固体碳
在该过程中引入催化剂可以降低所需的温度，但是引入了从催化剂表面分离固体碳的问题
总的来说，由于与加热相关的限制，这个过程仍然是一个高成本、高能耗和温室气体排放的过程
奎斯特的微波等离子体技术以一种新的方式催化反应，并允许非常快速地——每秒1000华氏度——加热气体，这是传统加热技术(如锅炉、熔炉、热交换器或感应加热器)所无法做到的
因为可再生电力可以为微波提供能量，而甲烷分解不使用氧气，所以使用微波等离子体技术从天然气中提取氢气完全没有温室气体排放
此外，微波等离子体技术能够实现模块化、小规模、低资本的化学转化工厂部署，使化学工业更加高效、有效、灵活和具有竞争力
在最近获得美国能源部赞助的基础和应用化石能源研究大学联盟项目中，范德瓦尔希望加深对H Quest反应堆内工艺条件如何定义碳产品参数的理解
对这项工作至关重要的是材料表征实验室的能力，该实验室在显微镜、光谱学、表面分析和热物理技术领域拥有多种表征技术，有助于阐明不同材料表现出不同特性和行为的原因
该项目名为“微波驱动、等离子体辅助甲烷转化为氢气和石墨烯的优化”，旨在确定反应器设计和制氢工艺条件，能够调整碳产品特性并评估甲烷转化率、产品产率和选择性
目标是发展碳产品形式、特性和工艺参数之间的关系
这种关系将允许有选择地产生特定的碳形式，并能够调整它们的物理化学性质
研究人员希望这将带来下一代氢技术，能够利用闲置的国内能源资源，如闲置的天然气储备，同时使氢原料多样化
如果成功，它还可以降低与大规模氢能产品相关的成本；创造市场需求、技术和基础设施，以支持氢能的部署；使用国内天然气制造能源和合成碳产品
范德瓦尔说:“天然气的微波处理代表了化石燃料的脱碳，同时为氢经济铺平了道路。”
这也将创造一条更清洁、更低成本的碳产品之路
例如，石墨烯是一种比钢更坚固、比铜更导电的材料
范德瓦尔说:“石墨烯作为混凝土的添加剂，可以提高强度和耐久性，有助于改善基础设施，同时在大规模碳/石墨烯生产中起到隔离作用。”
宾夕法尼亚州立能源管理系统研究所的研究人员和赫克斯特还通过国家科学基金会小企业技术转让项目合作，测试公司在这些方面的材料
他们还在研究微波等离子体的应用，通过能源部国家能源技术实验室的奖励将煤转化为碳产品
斯科普佐夫说，等离子衍生产品的广度是巨大的，从活性炭到三维可印刷塑料，再到钢铁和铝冶炼的工业碳电极，其可能性是不可估量的
“煤是现代工业有机化学的基础，”他补充道
“在20世纪50年代廉价石油时代，煤成为发电的代名词之前，从阿司匹林到尼龙等许多合成产品都是由煤生产的
这项研究将揭示我们的化石资源作为高性能材料来源的真正价值，但将以前所未有的更可持续和更具成本效益的方式进行
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