Новий метод перетворює газоподібний метан у рідкий метанол.
Команда дослідників успішно перетворила метан на метанол за допомогою легких і розсіяних перехідних металів, таких як мідь, у процесі, відомому як фотоокислення. Відповідно до дослідження, опублікованого в журналі, ця реакція була найкращою на сьогодні для перетворення газоподібного метану в рідке паливо при температурі навколишнього середовища та тиску (25 °C і 1 бар відповідно). Хімічні комунікації.
Термін бар як одиниця тиску походить від грецького слова, що означає вагу (барос). Один бар дорівнює 100,000 100 Паскалям (101,325 кПа), що близько до стандартного атмосферного тиску на рівні моря (XNUMX XNUMX Па).
Результати дослідження є вирішальним кроком до того, щоб зробити природний газ доступним як джерело енергії для виробництва палива, альтернативного бензину та дизельному паливу. Незважаючи на те, що природний газ є викопним паливом, його перетворення на метанол виробляє менше вуглекислого газу (CO2), ніж інші види рідкого палива в тій же категорії.
Конверсія відбулася за умов температури та тиску навколишнього середовища, що дозволило використовувати метан, потужний парниковий газ, для виробництва палива. Авторство: UFSCAR
Метанол є життєво важливим у виробництві біодизеля та хімічній промисловості Бразилії, де він використовується для синтезу різноманітних продуктів.
Крім того, збір метану з атмосфери має вирішальне значення для пом’якшення негативних наслідків зміни клімату, оскільки цей газ має в 25 разів більше потенціалу сприяння глобальному потеплінню, ніж, наприклад, CO2.
«У науковому співтоваристві точаться великі дебати щодо розміру запасів метану на планеті. За деякими оцінками, вони можуть мати вдвічі більший енергетичний потенціал, ніж усі інші види викопного палива разом узяті. Під час переходу на відновлювані джерела енергії нам колись доведеться використати весь цей метан», — сказав Agência FAPESP Маркос да Сілва, перший автор статті. Сільва є доктором філософії. кандидат на кафедрі фізики Федерального університету Сан-Карлос (UFSCar).
Дослідження підтримали FAPESP, Вища дослідницька рада (CAPES, агентство Міністерства освіти) і Національна рада з науково-технологічного розвитку (CNPq, підрозділ Міністерства науки, технологій та інновацій).
За словами Іво Фрейтаса Тейшейри, професора UFSCar, наукового керівника Сільви та останнього автора статті, фотокаталізатор, використаний у дослідженні, був ключовою інновацією. «Наша група внесла значні інновації, окислюючи метан в одну стадію», — сказав він. «У хімічній промисловості це перетворення відбувається шляхом виробництва водню та CO2 принаймні в два етапи та в умовах дуже високої температури та тиску. Наш успіх у отриманні метанолу в м’яких умовах із меншими витратами енергії є великим кроком вперед».
За словами Тейшейри, результати прокладають шлях для майбутніх досліджень використання сонячної енергії для цього процесу перетворення, потенційно ще більше зменшуючи вплив на навколишнє середовище.
Фотокаталізатори
У лабораторії вчені синтезували кристалічний нітрид вуглецю у формі полігептазиніміду (PHI), використовуючи неблагородні або поширені в землі перехідні метали, особливо мідь, для виробництва активних фотокаталізаторів видимого світла.
Потім вони використовували фотокаталізатори в реакціях окислення метану з перекисом водню як ініціатором. Каталізатор мідь-PHI генерував великий об’єм насичених киснем рідких продуктів, особливо метанолу (2,900 мікромоль на грам матеріалу, або мкмоль.г-1 за чотири години).
«Ми виявили найкращий каталізатор та інші умови, необхідні для хімічної реакції, такі як використання великої кількості води та лише невеликої кількості перекису водню, який є окислювачем», — сказав Тейшейра. «Наступні кроки включають більше розуміння активних центрів міді в матеріалі та їх ролі в реакції. Ми також плануємо використовувати кисень безпосередньо для отримання перекису водню в самій реакції. У разі успіху це має зробити процес ще безпечнішим і економічно життєздатним».
Ще один момент, який група продовжить досліджувати, стосується міді. «Ми працюємо з дисперсною міддю. Коли ми писали статтю, ми не знали, чи маємо справу з ізольованими атомами чи кластерами. Тепер ми знаємо, що це кластери», — пояснив він.
У дослідженні вчені використовували чистий метан, але в майбутньому вони будуть видобувати газ з відновлюваних джерел, таких як біомаса.
За даними Організації Об’єднаних Націй, наразі метан є причиною приблизно 30% глобального потепління з часів доіндустріальної епохи. Викиди метану від людської діяльності можна скоротити на цілих 45% протягом наступного десятиліття, уникнувши підвищення майже на 0.3°C до 2045 року.
Стратегія перетворення метану в рідке паливо за допомогою фотокаталізатора є новою і комерційно недоступною, але її потенціал у найближчій перспективі є значним. «Ми почали дослідження понад чотири роки тому. Зараз ми маємо набагато кращі результати, ніж у професора Гатчінгса та його групи в 2017 році, що спонукало до наших власних досліджень», – сказав Тейшейра, посилаючись на дослідження, опубліковане в журналі. наука дослідниками, пов’язаними з університетами Сполучених Штатів і Сполученого Королівства, під керівництвом Грема Хатчінгса, професора Університет Кардіффа в Уельсі.
Список використаної літератури:
«Селективне фотоокислення метану в метанол у м’яких умовах, що сприяє високодисперсним атомам Cu на кристалічних нітридах вуглецю» Маркос А.Р. Кауе Рібейро та Іво Ф. Тейшейра, 31 травня 2022 р. Хімічні комунікації.
DOI: 10.1039/D2CC01757A
«Водні Au-Pd колоїди каталізують селективний CH4 окислення до СН3OH з O2 у м’яких умовах» Ніштха Агарвал, Саймон Дж. Фріклі, Ребекка У. Маквікер, Султан М. Альтхбан, Ніколаос Дімітратос, Цянь Хе, Девід Дж. Морган, Роберт Л. Дженкінс, Девід Дж. Віллок, Стюарт Х. Тейлор, Крістофер Дж. Кілі та Грем Дж. Гатчінгс, 7 вересня 2017 р., наука.
DOI: 10.1126/science.aan6515
