Новый метод превращает газообразный метан в жидкий метанол.
Группа исследователей успешно преобразовала метан в метанол, используя легкие и рассеянные переходные металлы, такие как медь, в процессе, известном как фотоокисление. Согласно исследованию, опубликованному в журнале, эта реакция была лучшей на сегодняшний день для превращения газообразного метана в жидкое топливо при температуре окружающей среды и давлении (25 °C и 1 бар соответственно). Химические связи.
Термин бар как единица измерения давления происходит от греческого слова, означающего вес (baros). Один бар равен 100,000 100 Паскалей (101,325 кПа), что близко к стандартному атмосферному давлению на уровне моря (XNUMX XNUMX Па).
Выводы исследования являются важным шагом на пути к тому, чтобы сделать природный газ доступным в качестве источника энергии для производства альтернативных топлив бензину и дизельному топливу. Несмотря на то, что природный газ является ископаемым топливом, при его преобразовании в метанол выделяется меньше углекислого газа (CO2), чем при использовании другого жидкого топлива той же категории.
Конверсия происходила при температуре и давлении окружающей среды, что позволяло использовать метан, мощный парниковый газ, для производства топлива. XNUMX кредит
Метанол жизненно важен для производства биодизеля и химической промышленности Бразилии, где он используется для синтеза различных продуктов.
Кроме того, сбор метана из атмосферы имеет решающее значение для смягчения негативных последствий изменения климата, поскольку этот газ имеет в 25 раз больший потенциал способствовать глобальному потеплению, чем, например, CO2.
«В научном сообществе ведутся большие споры о размере запасов метана на планете. По некоторым оценкам, они могут иметь вдвое больший энергетический потенциал, чем все другие ископаемые виды топлива вместе взятые. При переходе на возобновляемые источники энергии в какой-то момент нам придется использовать весь этот метан», — сказал Маркос да Силва, первый автор статьи, Agência FAPESP. Сильва - доктор философии. кандидат физического факультета Федерального университета Сан-Карлос (UFSCar).
Исследование было поддержано FAPESP, Высшим научным советом (CAPES, агентство Министерства образования) и Национальным советом по научно-техническому развитию (CNPq, подразделение Министерства науки, технологий и инноваций).
По словам Иво Фрейтаса Тейшейры, профессора UFSCar, научного руководителя Сильвы и последнего автора статьи, фотокатализатор, использованный в исследовании, был ключевой инновацией. «Наша группа внедрила значительные инновации, окисляя метан в одну стадию», — сказал он. «В химической промышленности это преобразование происходит путем производства водорода и CO2 как минимум в две стадии и в условиях очень высоких температур и давлений. Наш успех в получении метанола в мягких условиях с меньшими затратами энергии — это большой шаг вперед».
По словам Тейшейры, результаты открывают путь для будущих исследований использования солнечной энергии для этого процесса преобразования, что потенциально еще больше снижает его воздействие на окружающую среду.
Фотокатализаторы
В лаборатории ученые синтезировали кристаллический нитрид углерода в форме полигептазинимида (PHI) с использованием неблагородных или содержащих много земли переходных металлов, особенно меди, для производства активных фотокатализаторов видимого света.
Затем они использовали фотокатализаторы в реакциях окисления метана с перекисью водорода в качестве инициатора. Катализатор медь-PHI генерировал большой объем окисленных жидких продуктов, особенно метанола (2,900 мкмоль на грамм материала, или мкмоль·г-1 за четыре часа).
«Мы нашли лучший катализатор и другие условия, необходимые для химической реакции, такие как использование большого количества воды и лишь небольшого количества перекиси водорода, которая является окислителем», — сказал Тейшейра. «Следующие шаги включают в себя более глубокое понимание активных центров меди в материале и их роли в реакции. Мы также планируем использовать кислород непосредственно для производства перекиси водорода в самой реакции. В случае успеха это должно сделать процесс еще более безопасным и экономически выгодным».
Еще один вопрос, который группа продолжит исследовать, касается меди. «Мы работаем с дисперсной медью. Когда мы писали статью, мы не знали, имеем ли мы дело с изолированными атомами или кластерами. Теперь мы знаем, что это скопления», — пояснил он.
В исследовании ученые использовали чистый метан, но в будущем они будут извлекать газ из возобновляемых источников энергии, таких как биомасса.
По данным Организации Объединенных Наций, до сих пор метан вызвал около 30% глобального потепления с доиндустриальной эпохи. Выбросы метана в результате деятельности человека могут быть сокращены на целых 45% в предстоящее десятилетие, что позволит избежать повышения почти на 0.3 °C к 2045 году.
Стратегия превращения метана в жидкое топливо с использованием фотокатализатора является новой и коммерчески недоступной, но ее потенциал в ближайшем будущем значителен. «Мы начали наше исследование более четырех лет назад. Сейчас у нас гораздо лучшие результаты, чем у профессора Хатчингса и его группы в 2017 году, что послужило мотивом для нашего собственного исследования», — сказал Тейшейра, ссылаясь на исследование, опубликованное в журнале. Наука исследователями из университетов США и Соединенного Королевства под руководством Грэма Хатчингса, профессора Университет Кардиффа в Уэльсе.
Ссылки:
«Селективное фотоокисление метана в метанол в мягких условиях, стимулируемое высокодисперсными атомами Cu на кристаллических нитридах углерода» Маркос А.Р. да Силва, Джессика С. Гил, Надежда В. Таракина, Гелсон Т.Т.Сильва, Хосе Б.Г. Фильо, Клаус Крамброк, Маркус Антониетти, Кауэ Рибейро и Иво Ф. Тейшейра, 31 мая 2022 г., Химические связи.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
«Водные коллоиды Au-Pd катализируют селективный CH4 окисление до CH3ОН с О2 в мягких условиях» Ништа Агарвал, Саймон Дж. Фрикли, Ребекка У. МакВикер, Султан М. Алтабан, Николаос Димитратос, Цянь Хе, Дэвид Дж. Морган, Роберт Л. Дженкинс, Дэвид Дж. Уиллок, Стюарт Х. Тейлор, Кристофер Дж. Кили и Грэм Дж. Хатчингс, 7 сентября 2017 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.aan6515.
