Il nuovo metodo converte il gas metano in metanolo liquido.
Un team di ricercatori ha convertito con successo il metano in metanolo utilizzando metalli di transizione leggeri e dispersi come il rame in un processo noto come fotoossidazione. La reazione è stata la migliore ottenuta fino ad oggi per convertire il gas metano in combustibile liquido a temperatura e pressione ambiente (rispettivamente 25 °C e 1 bar), secondo uno studio pubblicato sulla rivista Chemical Communications.
Il termine bar come unità di pressione deriva dalla parola greca che significa peso (baros). Un bar equivale a 100,000 Pascal (100 kPa), vicino alla pressione atmosferica standard al livello del mare (101,325 Pa).
I risultati dello studio sono un passo cruciale verso la possibilità di rendere accessibile il gas naturale come fonte di energia per la produzione di combustibili alternativi alla benzina e al diesel. Nonostante il gas naturale sia un combustibile fossile, la sua conversione in metanolo produce meno anidride carbonica (CO2) rispetto ad altri combustibili liquidi della stessa categoria.
La conversione è avvenuta in condizioni di temperatura e pressione ambiente, che potrebbero consentire l'utilizzo del metano, un potente gas serra, per la produzione di carburante. Credito: UFSCAR
Il metanolo è vitale nella produzione di biodiesel e nell'industria chimica in Brasile, dove viene utilizzato per sintetizzare una varietà di prodotti.
Inoltre, la raccolta di metano dall'atmosfera è fondamentale per mitigare le conseguenze negative del cambiamento climatico poiché il gas ha un potenziale 25 volte maggiore di contribuire al riscaldamento globale come la CO2, ad esempio.
“C'è un grande dibattito nella comunità scientifica sulle dimensioni delle riserve di metano del pianeta. Secondo alcune stime, potrebbero avere il doppio del potenziale energetico di tutti gli altri combustibili fossili messi insieme. Nella transizione alle energie rinnovabili, dovremo attingere a tutto questo metano a un certo punto", ha detto all'Agência FAPESP Marcos da Silva, primo autore dell'articolo. Silva ha un dottorato di ricerca. candidato al Dipartimento di Fisica dell'Università Federale di São Carlos (UFSCar).
Lo studio è stato sostenuto dal FAPESP, dal Consiglio superiore delle ricerche (CAPES, un'agenzia del Ministero dell'Istruzione) e dal Consiglio nazionale per lo sviluppo scientifico e tecnologico (CNPq, un braccio del Ministero della Scienza, della Tecnologia e dell'Innovazione).
Secondo Ivo Freitas Teixeira, professore all'UFSCar, relatore di tesi di Silva e ultimo autore dell'articolo, il fotocatalizzatore utilizzato nello studio è stata un'innovazione chiave. "Il nostro gruppo ha innovato in modo significativo ossidando il metano in un'unica fase", ha affermato. “Nell'industria chimica, questa conversione avviene attraverso la produzione di idrogeno e CO2 in almeno due stadi e in condizioni di temperatura e pressione molto elevate. Il nostro successo nell'ottenere metanolo in condizioni miti, consumando anche meno energia, è un importante passo avanti".
Secondo Teixeira, i risultati aprono la strada alla ricerca futura sull'uso dell'energia solare per questo processo di conversione, riducendo potenzialmente ulteriormente il suo impatto ambientale.
Fotocatalizzatori
In laboratorio, gli scienziati hanno sintetizzato il nitruro di carbonio cristallino sotto forma di polieptazina immide (PHI), utilizzando metalli di transizione non nobili o ricchi di terra, in particolare il rame, per produrre fotocatalizzatori attivi a luce visibile.
Hanno quindi utilizzato i fotocatalizzatori nelle reazioni di ossidazione del metano con perossido di idrogeno come iniziatore. Il catalizzatore rame-PHI ha generato un grande volume di prodotti liquidi ossigenati, in particolare metanolo (2,900 micromoli per grammo di materiale, o µmol.g-1 in quattro ore).
"Abbiamo scoperto il miglior catalizzatore e altre condizioni essenziali per la reazione chimica, come l'utilizzo di una grande quantità di acqua e solo una piccola quantità di perossido di idrogeno, che è un agente ossidante", ha detto Teixeira. “I prossimi passi includono la comprensione dei siti di rame attivi nel materiale e il loro ruolo nella reazione. Abbiamo anche in programma di utilizzare l'ossigeno direttamente per produrre perossido di idrogeno nella reazione stessa. In caso di successo, questo dovrebbe rendere il processo ancora più sicuro ed economicamente sostenibile”.
Un altro punto che il gruppo continuerà a indagare riguarda il rame. “Lavoriamo con rame disperso. Quando abbiamo scritto l'articolo, non sapevamo se avessimo a che fare con atomi isolati o ammassi. Ora sappiamo che sono ammassi”, ha spiegato.
Nello studio, gli scienziati hanno utilizzato metano puro, ma in futuro estrarranno il gas da fonti rinnovabili come la biomassa.
Secondo le Nazioni Unite, il metano ha finora causato circa il 30% del riscaldamento globale dall'era preindustriale. Le emissioni di metano dalle attività umane potrebbero essere ridotte fino al 45% nel prossimo decennio, evitando un aumento di quasi 0.3°C entro il 2045.
La strategia di convertire il metano in combustibile liquido utilizzando un fotocatalizzatore è nuova e non disponibile in commercio, ma il suo potenziale nel breve termine è significativo. “Abbiamo iniziato la nostra ricerca più di quattro anni fa. Ora abbiamo risultati di gran lunga migliori di quelli del professor Hutchings e del suo gruppo nel 2017, il che ha motivato la nostra ricerca", ha affermato Teixeira, riferendosi a uno studio pubblicato sulla rivista Scienze da ricercatori affiliati ad università negli Stati Uniti e nel Regno Unito e guidati da Graham Hutchings, professore a Cardiff University in Galles.
Riferimenti:
"Fotoossidazione selettiva del metano in metanolo in condizioni miti promossa da atomi di Cu altamente dispersi su nitruri di carbonio cristallini" di Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro e Ivo F. Teixeira, 31 maggio 2022, Chemical Communications.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
“I colloidi Au-Pd acquosi catalizzano il CH selettivo4 ossidazione a CH3OH con O2 in condizioni miti” di 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 e Graham J. Hutchings, 7 settembre 2017, Scienze.
DOI: 10.1126/scienza.aan6515
