Nova metoda pretvara plin metan u tekući metanol.
Tim istraživača uspješno je pretvorio metan u metanol koristeći svjetlo i raspršene prijelazne metale poput bakra u procesu poznatom kao fotooksidacija. Reakcija je do sada najbolja postignuta za pretvaranje plinovitog metana u tekuće gorivo pri sobnoj temperaturi i tlaku (25 °C odnosno 1 bar), prema studiji objavljenoj u časopisu Kemijske komunikacije.
Pojam bar kao jedinica tlaka dolazi od grčke riječi koja znači težina (baros). Jedan bar jednak je 100,000 100 paskala (101,325 kPa), blizu standardnog atmosferskog tlaka na razini mora (XNUMX XNUMX Pa).
Nalazi studije ključni su korak ka pristupačnosti prirodnog plina kao izvora energije za proizvodnju alternativnih goriva za benzin i dizel. Unatoč činjenici da je prirodni plin fosilno gorivo, njegova pretvorba u metanol proizvodi manje ugljičnog dioksida (CO2) od ostalih tekućih goriva u istoj kategoriji.
Pretvorba se odvijala pod uvjetima temperature i tlaka okoline, što bi moglo omogućiti korištenje metana, snažnog stakleničkog plina, za proizvodnju goriva. Zasluge: UFSCAR
Metanol je vitalan u proizvodnji biodizela i kemijskoj industriji u Brazilu, gdje se koristi za sintezu raznih proizvoda.
Nadalje, sakupljanje metana iz atmosfere ključno je za ublažavanje negativnih posljedica klimatskih promjena budući da plin ima 25 puta veći potencijal da pridonese globalnom zagrijavanju nego CO2, na primjer.
“U znanstvenoj zajednici postoji velika rasprava o veličini planetarnih rezervi metana. Prema nekim procjenama, oni bi mogli imati dvostruko veći energetski potencijal od svih ostalih fosilnih goriva zajedno. U prijelazu na obnovljive izvore energije, kad-tad ćemo morati iskoristiti sav taj metan,” rekao je Marcos da Silva, prvi autor članka, za Agência FAPESP. Silva je doktor znanosti. kandidat na Odsjeku za fiziku Saveznog sveučilišta São Carlos (UFSCar).
Studiju su podržali FAPESP, Vijeće za visoka istraživanja (CAPES, agencija Ministarstva obrazovanja) i Nacionalno vijeće za znanstveni i tehnološki razvoj (CNPq, ogranak Ministarstva znanosti, tehnologije i inovacija).
Prema Ivu Freitasu Teixeiri, profesoru na UFSCaru, Silvinom mentoru teze i posljednjem autoru članka, fotokatalizator korišten u studiji bio je ključna inovacija. "Naša je grupa značajno inovirala oksidacijom metana u jednoj fazi", rekao je. “U kemijskoj industriji, ova pretvorba se odvija kroz proizvodnju vodika i CO2 u najmanje dvije faze i pod vrlo visokim temperaturama i uvjetima tlaka. Naš uspjeh u dobivanju metanola pod blagim uvjetima, uz manju potrošnju energije, veliki je korak naprijed.”
Prema Teixeiri, rezultati otvaraju put budućim istraživanjima korištenja solarne energije za ovaj proces pretvorbe, potencijalno dodatno smanjujući njezin utjecaj na okoliš.
Fotokatalizatori
U laboratoriju su znanstvenici sintetizirali kristalni ugljikov nitrid u obliku poliheptazin imida (PHI), koristeći neplemenite prijelazne metale ili prijelazne metale koji obiluju zemljom, posebno bakar, za proizvodnju aktivnih fotokatalizatora vidljive svjetlosti.
Zatim su upotrijebili fotokatalizatore u reakcijama oksidacije metana s vodikovim peroksidom kao inicijatorom. Bakar-PHI katalizator generirao je veliku količinu oksigeniranih tekućih proizvoda, posebno metanola (2,900 mikromola po gramu materijala, ili µmol.g-1 u četiri sata).
"Otkrili smo najbolji katalizator i druge uvjete bitne za kemijsku reakciju, kao što je korištenje velike količine vode i samo male količine vodikovog peroksida, koji je oksidacijsko sredstvo", rekao je Teixeira. “Sljedeći koraci uključuju razumijevanje više o aktivnim bakrenim mjestima u materijalu i njihovoj ulozi u reakciji. Također planiramo izravno koristiti kisik za proizvodnju vodikovog peroksida u samoj reakciji. Ako uspije, to bi trebalo učiniti proces još sigurnijim i ekonomski isplativijim.”
Još jedna točka koju će skupina nastaviti istraživati odnosi se na bakar. “Radimo s raspršenim bakrom. Kad smo pisali članak, nismo znali jesmo li u pitanju izolirani atomi ili klasteri. Sada znamo da su to klasteri,” objasnio je.
U studiji su znanstvenici koristili čisti metan, no u budućnosti će plin izdvajati iz obnovljivih izvora kao što je biomasa.
Prema podacima Ujedinjenih naroda, metan je dosad uzrokovao oko 30% globalnog zatopljenja od predindustrijskog doba. Emisije metana iz ljudskih aktivnosti mogle bi se smanjiti za čak 45% u narednom desetljeću, izbjegavajući porast od gotovo 0.3°C do 2045. godine.
Strategija pretvaranja metana u tekuće gorivo pomoću fotokatalizatora je nova i nije komercijalno dostupna, ali je njen kratkoročni potencijal značajan. “Naše istraživanje smo započeli prije više od četiri godine. Sada imamo daleko bolje rezultate od onih profesora Hutchingsa i njegove grupe 2017., što je motiviralo naše vlastito istraživanje”, rekao je Teixeira, referirajući se na studiju objavljenu u časopisu Znanost od strane istraživača povezanih sa sveučilištima u Sjedinjenim Državama i Ujedinjenom Kraljevstvu, a predvođeni Grahamom Hutchingsom, profesorom na Sveučilište u Cardiffu u Walesu.
Reference:
“Selektivna fotooksidacija metana u metanol pod blagim uvjetima potaknuta visoko disperziranim Cu atomima na kristalnim ugljikovim nitridima” Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro i Ivo F. Teixeira, 31. svibnja 2022. Kemijske komunikacije.
DOI: 10.1039/D2CC01757A
“Vodeni Au-Pd koloidi kataliziraju selektivni CH4 oksidacija u CH3OH s O2 pod blagim uvjetima” Nishtha Agarwal, Simon J. Freakley, Rebecca U. McVicker, Sultan M. Althahban, Nikolaos Dimitratos, Qian He, David J. Morgan, Robert L. Jenkins, David J. Willock, Stuart H. Taylor, Christopher J. Kiely i Graham J. Hutchings, 7. rujna 2017., Znanost.
DOI: 10.1126/science.aan6515
