Nova metoda pretvori plin metan v tekoči metanol.
Skupina raziskovalcev je uspešno pretvorila metan v metanol z uporabo lahkih in razpršenih prehodnih kovin, kot je baker, v procesu, znanem kot fotooksidacija. Reakcija je bila doslej najboljša dosežena za pretvorbo plinastega metana v tekoče gorivo pri sobni temperaturi in tlaku (25 °C oziroma 1 bar), glede na študijo, objavljeno v reviji Kemijske komunikacije.
Izraz bar kot enota za tlak izhaja iz grške besede, ki pomeni težo (baros). En bar je enak 100,000 Pascalom (100 kPa), kar je blizu standardnega atmosferskega tlaka na morski gladini (101,325 Pa).
Ugotovitve študije so ključni korak k dostopnosti zemeljskega plina kot vira energije za proizvodnjo alternativnih goriv za bencin in dizel. Kljub temu, da je zemeljski plin fosilno gorivo, njegova pretvorba v metanol proizvede manj ogljikovega dioksida (CO2) kot druga tekoča goriva v isti kategoriji.
Pretvorba je potekala pri sobni temperaturi in tlaku, kar bi lahko omogočilo uporabo metana, močnega toplogrednega plina, za proizvodnjo goriva. Zasluge: UFSCAR
Metanol je ključnega pomena pri proizvodnji biodizla in kemični industriji v Braziliji, kjer se uporablja za sintezo različnih izdelkov.
Poleg tega je zbiranje metana iz ozračja ključnega pomena za blažitev negativnih posledic podnebnih sprememb, saj ima plin 25-krat večji potencial, da prispeva k globalnemu segrevanju kot na primer CO2.
»V znanstveni skupnosti poteka velika razprava o velikosti zalog metana na planetu. Po nekaterih ocenah imajo morda dvakrat večji energetski potencial kot vsa druga fosilna goriva skupaj. Pri prehodu na obnovljive vire energije bomo morali na neki točki izkoristiti ves ta metan,« je povedal Marcos da Silva, prvi avtor članka, za Agência FAPESP. Silva je doktor znanosti. kandidat na oddelku za fiziko zvezne univerze São Carlos (UFSCar).
Študijo sta podprla FAPESP, Visoki raziskovalni svet (CAPES, agencija Ministrstva za izobraževanje) in Nacionalni svet za znanstveni in tehnološki razvoj (CNPq, veja Ministrstva za znanost, tehnologijo in inovacije).
Po mnenju Iva Freitasa Teixeire, profesorja na UFSCar, Silvinega mentorja za diplomsko nalogo in zadnjega avtorja članka, je bil fotokatalizator, uporabljen v študiji, ključna novost. "Naša skupina je znatno inovirala z oksidacijo metana v eni sami fazi," je dejal. »V kemični industriji se ta pretvorba zgodi s proizvodnjo vodika in CO2 v vsaj dveh stopnjah in pod zelo visokimi temperaturnimi in tlačnimi pogoji. Naš uspeh pri pridobivanju metanola v blagih pogojih, ob hkratni porabi manj energije, je velik korak naprej.«
Po besedah Teixeire rezultati utirajo pot prihodnjim raziskavam o uporabi sončne energije za ta proces pretvorbe, kar bi lahko še dodatno zmanjšalo njen vpliv na okolje.
Fotokatalizatorji
V laboratoriju so znanstveniki sintetizirali kristalni ogljikov nitrid v obliki poliheptazin imida (PHI) z uporabo nežlahtnih ali v zemlji bogatih prehodnih kovin, zlasti bakra, za proizvodnjo aktivnih fotokatalizatorjev vidne svetlobe.
Nato so fotokatalizatorje uporabili v reakcijah oksidacije metana z vodikovim peroksidom kot iniciatorjem. Katalizator baker-PHI je ustvaril veliko količino oksigeniranih tekočih produktov, zlasti metanola (2,900 mikromolov na gram materiala ali µmol.g-1 v štirih urah).
"Odkrili smo najboljši katalizator in druge pogoje, bistvene za kemično reakcijo, kot je uporaba velike količine vode in le majhne količine vodikovega peroksida, ki je oksidant," je dejal Teixeira. »Naslednji koraki vključujejo razumevanje več o aktivnih bakrovih mestih v materialu in njihovi vlogi pri reakciji. Načrtujemo tudi neposredno uporabo kisika za proizvodnjo vodikovega peroksida v sami reakciji. Če bo uspešen, bo to naredilo postopek še varnejši in ekonomsko upravičen.«
Druga točka, ki jo bo skupina še naprej preiskovala, se nanaša na baker. »Delamo z razpršenim bakrom. Ko smo pisali članek, nismo vedeli, ali imamo opravka z izoliranimi atomi ali grozdi. Zdaj vemo, da so grozdi,« je pojasnil.
V študiji so znanstveniki uporabili čisti metan, v prihodnosti pa bodo plin pridobivali iz obnovljivih virov, kot je biomasa.
Po podatkih Združenih narodov je metan doslej povzročil približno 30 % globalnega segrevanja od predindustrijske dobe. Emisije metana zaradi človekove dejavnosti bi lahko v prihodnjem desetletju zmanjšali za kar 45 %, s čimer bi se izognili dvigu za skoraj 0.3 °C do leta 2045.
Strategija pretvorbe metana v tekoče gorivo z uporabo fotokatalizatorja je nova in komercialno ni na voljo, vendar je njen potencial v bližnji prihodnosti pomemben. »Raziskavo smo začeli pred več kot štirimi leti. Zdaj imamo veliko boljše rezultate od rezultatov profesorja Hutchingsa in njegove skupine leta 2017, kar je motiviralo naše lastne raziskave,« je dejal Teixeira, sklicujoč se na študijo, objavljeno v reviji Znanost raziskovalci, povezani z univerzami v Združenih državah in Združenem kraljestvu, pod vodstvom Grahama Hutchingsa, profesorja na Cardiff University v Walesu.
Reference:
»Selektivna fotooksidacija metana v metanol v blagih pogojih, ki jo spodbujajo visoko razpršeni atomi Cu na kristalnih ogljikovih nitridih« Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro in Ivo F. Teixeira, 31. maj 2022, Kemijske komunikacije.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
»Vodni Au-Pd koloidi katalizirajo selektivni CH4 oksidacija v CH3OH z O2 pod milimi pogoji« 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 in Graham J. Hutchings, 7. september 2017, Znanost.
DOI: 10.1126/science.aan6515
