Phương pháp mới chuyển khí metan thành metanol lỏng.
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi thành công metan thành metanol bằng cách sử dụng các kim loại chuyển tiếp nhẹ và phân tán như đồng trong một quá trình được gọi là quá trình quang oxy hóa. Phản ứng đạt được là tốt nhất cho đến nay để chuyển hóa khí mêtan thành nhiên liệu lỏng ở nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh (25 ° C và 1 bar, tương ứng), theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí hóa học truyền thông.
Thuật ngữ bar như một đơn vị áp suất xuất phát từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là trọng lượng (baros). Một bar tương đương 100,000 Pascal (100 kPa), gần với áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển (101,325 Pa).
Các phát hiện của nghiên cứu là một bước quan trọng để làm cho khí tự nhiên có thể tiếp cận được như một nguồn năng lượng để sản xuất nhiên liệu thay thế cho xăng và dầu diesel. Mặc dù thực tế rằng khí tự nhiên là nhiên liệu hóa thạch, việc chuyển hóa nó thành metanol tạo ra ít carbon dioxide (CO2) hơn so với các nhiên liệu lỏng khác trong cùng loại.
Quá trình chuyển đổi diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất xung quanh, có thể cho phép mêtan, một loại khí nhà kính mạnh, được sử dụng để sản xuất nhiên liệu. Tín dụng: UFSCAR
Metanol rất quan trọng trong sản xuất dầu diesel sinh học và công nghiệp hóa chất ở Brazil, nơi nó được sử dụng để tổng hợp nhiều loại sản phẩm.
Hơn nữa, việc thu khí mêtan từ khí quyển là rất quan trọng để giảm thiểu hậu quả tiêu cực của biến đổi khí hậu vì loại khí này có nguy cơ góp phần vào sự nóng lên toàn cầu gấp 25 lần chẳng hạn như CO2.
“Có một cuộc tranh luận lớn trong cộng đồng khoa học về quy mô trữ lượng khí mê-tan của hành tinh. Theo một số ước tính, chúng có thể có gấp đôi tiềm năng năng lượng của tất cả các loại nhiên liệu hóa thạch khác cộng lại. Trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo, chúng tôi sẽ phải khai thác tất cả khí mê-tan này vào một lúc nào đó, ”Marcos da Silva, tác giả đầu tiên của bài báo, nói với Agência FAPESP. Silva là một Tiến sĩ. ứng cử viên trong Khoa Vật lý của Đại học Liên bang São Carlos (UFSCar).
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi FAPESP, Hội đồng Nghiên cứu Đại học (CAPES, một cơ quan của Bộ Giáo dục) và Hội đồng Quốc gia về Phát triển Khoa học và Công nghệ (CNPq, một chi nhánh của Bộ Khoa học, Công nghệ và Đổi mới).
Theo Ivo Freitas Teixeira, giáo sư tại UFSCar, cố vấn luận án của Silva và là tác giả cuối cùng của bài báo, chất xúc tác quang được sử dụng trong nghiên cứu là một đổi mới quan trọng. Ông nói: “Nhóm của chúng tôi đã đổi mới đáng kể bằng cách oxy hóa metan trong một giai đoạn duy nhất. “Trong ngành công nghiệp hóa chất, sự chuyển đổi này xảy ra thông qua việc sản xuất hydro và CO2 trong ít nhất hai giai đoạn và trong điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao. Thành công của chúng tôi trong việc thu được metanol trong điều kiện ôn hòa, đồng thời tiêu tốn ít năng lượng hơn, là một bước tiến quan trọng ”.
Theo Teixeira, kết quả này mở đường cho nghiên cứu trong tương lai về việc sử dụng năng lượng mặt trời cho quá trình chuyển đổi này, có khả năng làm giảm tác động môi trường của nó hơn nữa.
Chất xúc tác quang
Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã tổng hợp nitrua cacbon tinh thể ở dạng polyheptazine imide (PHI), sử dụng các kim loại chuyển tiếp không cao hoặc có nhiều trong đất, đặc biệt là đồng, để tạo ra chất xúc tác quang ánh sáng nhìn thấy hoạt động.
Sau đó, họ sử dụng chất xúc tác quang trong các phản ứng oxy hóa metan với hydrogen peroxide làm chất khơi mào. Chất xúc tác đồng-PHI tạo ra một lượng lớn các sản phẩm lỏng được oxy hóa, đặc biệt là metanol (2,900 micromol trên gam nguyên liệu, hoặc µmol.g-1 trong bốn giờ).
“Chúng tôi đã phát hiện ra chất xúc tác tốt nhất và các điều kiện khác cần thiết cho phản ứng hóa học, chẳng hạn như sử dụng một lượng lớn nước và chỉ một lượng nhỏ hydrogen peroxide, là một chất oxy hóa,” Teixeira nói. “Các bước tiếp theo bao gồm hiểu thêm về các vị trí đồng hoạt động trong vật liệu và vai trò của chúng trong phản ứng. Chúng tôi cũng có kế hoạch sử dụng oxy trực tiếp để sản xuất hydrogen peroxide trong chính phản ứng. Nếu thành công, điều này sẽ làm cho quá trình trở nên an toàn hơn và hiệu quả về mặt kinh tế ”.
Một điểm khác mà nhóm sẽ tiếp tục điều tra liên quan đến đồng. “Chúng tôi làm việc với đồng phân tán. Khi chúng tôi viết bài báo, chúng tôi không biết liệu chúng tôi có đang xử lý các nguyên tử hoặc cụm cô lập hay không. Bây giờ chúng tôi biết chúng là các cụm, ”ông giải thích.
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng khí mêtan tinh khiết, nhưng trong tương lai, họ sẽ chiết xuất khí này từ các nguồn năng lượng tái tạo như sinh khối.
Theo Liên hợp quốc, khí mêtan cho đến nay đã gây ra khoảng 30% hiện tượng nóng lên toàn cầu kể từ thời kỳ tiền công nghiệp. Lượng khí thải mêtan từ hoạt động của con người có thể giảm tới 45% trong thập kỷ tới, tránh tăng gần 0.3 ° C vào năm 2045.
Chiến lược chuyển đổi khí mê-tan thành nhiên liệu lỏng sử dụng chất xúc tác quang là mới và không có sẵn trên thị trường, nhưng tiềm năng của nó trong thời gian tới là rất đáng kể. “Chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu hơn bốn năm trước. Bây giờ chúng tôi có kết quả tốt hơn nhiều so với kết quả của Giáo sư Hutchings và nhóm của ông ấy vào năm 2017, điều này thúc đẩy nghiên cứu của riêng chúng tôi, ”Teixeira nói, đề cập đến một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học bởi các nhà nghiên cứu liên kết với các trường đại học ở Hoa Kỳ và Vương quốc Anh, và do Graham Hutchings, một giáo sư tại Cardiff University ở xứ Wales.
Tài liệu tham khảo:
“Sự quang oxy hóa chọn lọc mêtan thành metanol trong điều kiện nhẹ được thúc đẩy bởi các nguyên tử Cu phân tán cao trên các nitrua cacbon tinh thể” của Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro và Ivo F. Teixeira, ngày 31 tháng 2022 năm XNUMX, hóa học truyền thông.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
“Chất keo Au-Pd trong nước xúc tác chọn lọc CH4 oxy hóa thành CH3OH với O2 trong điều kiện nhẹ ”của 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 và Graham J. Hutchings, ngày 7 tháng 2017 năm XNUMX, Khoa học.
DOI: 10.1126 / science.aan6515
