使用冷等离子体反应器将沼气转化为长链碳氢化合物，这是一种有用的化学原料
科学家首次利用冷等离子体将沼气中的碳转化为长链碳氢化合物。参与这项研究的科学家之一、悉尼大学(University of Sydney)的张天琪(Tianqi Zhang)解释说，这种策略的美妙之处在于，它将沼气或垃圾填埋气等废弃温室气体转化为增值化合物。
沼气是二氧化碳和甲烷的混合物，是微生物在缺氧条件下分解有机物时产生的。虽然冷等离子体过去曾被用于从沼气中回收碳，但它仅限于生产简单的碳氢化合物，如甲酸、乙醇、异丙醇和乙酸。
这种限制源于等离子体的性质，等离子体的能量高到足以将电子从原子中剥离出来，从而产生电离气体。冷等离子体不是过热的，但它们仍然含有高能电子，尽管它们的低平均温度意味着重粒子(如离子和中性原子)保持相对较低的温度。
正是这些活性物质、高电子温度和短暴露时间的结合，导致了不可预测的化学反应，并倾向于产生更简单的结构。都柏林大学学院(University College, Dublin)的化学家詹姆斯?沙利文(James Sullivan)没有参与这项研究，他说:“通常情况下，会形成一种产品汤。”“然而，作者表明，选择性可以通过改变CO2/CH4进口比在一定程度上进行调整。”
研究小组利用等离子体气泡反应器在控制二氧化碳和甲烷混合物的同时产生等离子体放电。在这个装置中，等离子体在气泡形成的地方直接与水相互作用，使气体混合物在水面上被激活。
耶鲁大学(Yale University)的丽娅·温特(Lea Winter)也没有参与这项研究，她说:“一项关键的创新是将等离子体电离气体与水界面结合起来，这对化学反应有重大影响，并允许产生能量密集的固体产品。”
该反应器可以将二氧化碳和甲烷转化为更有用的产品
张老师将他们的突破归功于一个学生的好奇心。他说:“一开始，我们只是发现了一些神秘的未知化合物，没有人真正注意到它们。”“是我们的学生约瑟普(Josip)一直在深入研究这些化合物是什么。”
通过质谱分析和固态核磁共振，他们确认了长链碳氢化合物和其他碳链在C8到C40之间的含氧物质，这些物质是在二氧化碳含量低于沼气中通常发现的二氧化碳含量时形成的。
温特说:“这项工作说明了制造许多不同类型的有趣和有价值的化合物的重大可能性，但是这么多不同类型的化学产品的混合物……在实际应用中可能很难使用。”特别是如果目标市场需要相对纯粹的产品，比如材料制造或药品。
她还指出，虽然使用了冷等离子体反应堆，但它仍然具有相对较高的能耗。“然而，在某些情况下，等离子体过程比其他方法更有利，”她继续说道。许多升级回收沼气的过程通常依赖于高温来驱动反应。但等离子体是在大气条件下由电力驱动的，理论上可以整合到可再生能源电网中，或者在偏远地区使用。
沙利文补充说:“我对能量平衡评估很感兴趣，即产生等离子体的电能和储存在产品中的化学能。”
温特还指出了扩展这项技术所面临的挑战。她解释说:“等离子体反应器的尺寸在本质上是有限的:如果电极面积太大，等离子体不能在大气条件下产生，所以你基本上必须不断增加电极的表面积，以增加反应体积。”“要弄清楚这种反应是如何运作的，以及在处理大量沼气流的规模上，反应堆应该是什么样子，还存在一些挑战。”
张说，他们的团队已经完成了这项任务，他们的目标是建造一个千瓦级的反应堆，这个反应堆可以很容易地部署并与太阳能设备相连。他承认:“很多人质疑能源效率，但如果在新的工程解决方案上投入更多精力，这个问题是可以克服的。”
