Den nye metoden omdanner metangass til flytende metanol.
Et team av forskere har konvertert metan til metanol ved hjelp av lette og spredte overgangsmetaller som kobber i en prosess kjent som fotooksidasjon. Reaksjonen var den beste oppnådd til dags dato for å konvertere metangass til flytende drivstoff ved omgivelsestemperatur og trykk (henholdsvis 25 °C og 1 bar), ifølge en studie publisert i tidsskriftet Kjemisk kommunikasjon.
Begrepet bar som trykkenhet kommer fra det greske ordet som betyr vekt (baros). En bar tilsvarer 100,000 100 Pascal (101,325 kPa), nær standard atmosfærisk trykk ved havnivå (XNUMX XNUMX Pa).
Studiens funn er et avgjørende skritt mot å gjøre naturgass tilgjengelig som en energikilde for produksjon av alternativt brensel til bensin og diesel. Til tross for at naturgass er et fossilt brensel, produserer omdannelsen til metanol mindre karbondioksid (CO2) enn andre flytende drivstoff i samme kategori.
Konverteringen fant sted under omgivelsestemperatur og trykkforhold, noe som kunne gjøre det mulig å bruke metan, en potent drivhusgass, til å produsere drivstoff. Kreditt: UFSCAR
Metanol er viktig i produksjonen av biodiesel og den kjemiske industrien i Brasil, hvor den brukes til å syntetisere en rekke produkter.
Videre er metaninnsamling fra atmosfæren avgjørende for å dempe de negative konsekvensene av klimaendringer siden gassen har 25 ganger potensialet til å bidra til global oppvarming som for eksempel CO2.
"Det er en stor debatt i det vitenskapelige miljøet om størrelsen på planetens metanreserver. I følge noen estimater kan de ha dobbelt så mye energipotensiale som alle andre fossile brensler til sammen. I overgangen til fornybar energi må vi på et eller annet tidspunkt utnytte all denne metanen, sier Marcos da Silva, førsteforfatter av artikkelen, til Agência FAPESP. Silva er Ph.D. kandidat i fysikkavdelingen ved Federal University of São Carlos (UFSCar).
Studien ble støttet av FAPESP, Higher Research Council (CAPES, et byrå under Kunnskapsdepartementet), og National Council for Scientific and Technological Development (CNPq, en del av departementet for vitenskap, teknologi og innovasjon).
I følge Ivo Freitas Teixeira, professor ved UFSCar, Silvas avhandlingsrådgiver og siste forfatter av artikkelen, var fotokatalysatoren som ble brukt i studien en nøkkelinnovasjon. "Gruppen vår innoverte betydelig ved å oksidere metan i et enkelt trinn," sa han. «I den kjemiske industrien skjer denne omdanningen via produksjon av hydrogen og CO2 i minst to trinn og under svært høye temperatur- og trykkforhold. Vår suksess med å skaffe metanol under milde forhold, samtidig som vi bruker mindre energi, er et stort skritt fremover."
Ifølge Teixeira baner resultatene veien for fremtidig forskning på bruken av solenergi til denne konverteringsprosessen, noe som potensielt kan redusere miljøpåvirkningen ytterligere.
Fotokatalysatorer
I laboratoriet syntetiserte forskerne krystallinsk karbonnitrid i form av polyheptazinimid (PHI), ved å bruke ikke-edle eller jordrike overgangsmetaller, spesielt kobber, for å produsere aktive fotokatalysatorer for synlig lys.
De brukte deretter fotokatalysatorene i metanoksidasjonsreaksjoner med hydrogenperoksid som initiator. Kobber-PHI-katalysatoren genererte et stort volum oksygenerte flytende produkter, spesielt metanol (2,900 mikromol per gram materiale, eller µmol.g-1 på fire timer).
"Vi oppdaget den beste katalysatoren og andre forhold som er avgjørende for den kjemiske reaksjonen, for eksempel å bruke en stor mengde vann og bare en liten mengde hydrogenperoksid, som er et oksidasjonsmiddel," sa Teixeira. "De neste trinnene inkluderer å forstå mer om de aktive kobberstedene i materialet og deres rolle i reaksjonen. Vi planlegger også å bruke oksygen direkte for å produsere hydrogenperoksid i selve reaksjonen. Hvis det lykkes, bør dette gjøre prosessen enda sikrere og økonomisk levedyktig.»
Et annet punkt gruppen vil fortsette å undersøke gjelder kobber. «Vi jobber med dispergert kobber. Da vi skrev artikkelen, visste vi ikke om vi hadde å gjøre med isolerte atomer eller klynger. Vi vet nå at de er klynger,” forklarte han.
I studien brukte forskerne ren metan, men i fremtiden vil de utvinne gassen fra fornybare energikilder som biomasse.
I følge FN har metan så langt forårsaket omtrent 30 % av den globale oppvarmingen siden den førindustrielle tidsalderen. Metanutslipp fra menneskelig aktivitet kan reduseres med så mye som 45 % i tiåret fremover, og unngår en økning på nesten 0.3 °C innen 2045.
Strategien med å konvertere metan til flytende drivstoff ved hjelp av en fotokatalysator er ny og ikke tilgjengelig kommersielt, men potensialet på kort sikt er betydelig. «Vi begynte vår forskning for over fire år siden. Vi har nå langt bedre resultater enn professor Hutchings og hans gruppe i 2017, noe som motiverte vår egen forskning, sa Teixeira, med henvisning til en studie publisert i tidsskriftet. Vitenskap av forskere tilknyttet universiteter i USA og Storbritannia, og ledet av Graham Hutchings, professor ved Cardiff University i Wales.
Referanser:
"Selektiv metanfotooksidasjon til metanol under milde forhold fremmet av sterkt dispergerte Cu-atomer på krystallinske karbonnitrider" av Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro og Ivo F. Teixeira, 31. mai 2022, Kjemisk kommunikasjon.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
"Vandige Au-Pd-kolloider katalyserer selektiv CH4 oksidasjon til CH3OH med O2 under milde forhold» av 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 og Graham J. Hutchings, 7. september 2017, Vitenskap.
DOI: 10.1126/science.aan6515
