Инженерам удалось создать новую эффективную технологию преобразования метана в метанол в условиях комфортных температур. Данная методика позволит существенно ограничить эмиссию парникового эффекта и обеспечить безопасный способ производства ключевых продуктов.
Несмотря на то, что диоксид углерода приковывает к себе основное внимание, это не единственная причина парниковых выбросов, меняющих климат нашей планеты. Выбросы метана не столь значительны, однако сила его негативного воздействия на окружающую среду примерно в 34 раза выше, так что снижение его концентрации по-прежнему является одной из самых первостепенных задач. Избыток метана, образующегося в результате технологических процессов, утилизируется путём сжигания, что приводит к увеличению выбросов в атмосферу двуокиси углерода.
Художественная репродукция MOF-катализатора, преобразующего метан в метанол с помощью солнечного света. ORNL/Jill Hemman
Наиболее распространенной альтернативой является процесс конверсии метана в метанол, который может быть использован для производства ряда продуктов, таких как горючее, пластик или строительные материалы. Однако все дело в том, что такая реакция как правило протекает при повышенных температурах и высоком давлении, что значительно увеличивает ее энергозатратность.
В последнее время исследователи работают над созданием новых катализаторов, способных эффективно переработать метан в метанол даже при температурах в 20 -25 градусов Цельсия, включая устройства из титана и меди, а также различные методы обработки кристаллов железного цеолита.
В рамках нового научного эксперимента сотрудники из Manchester and Oak Ridge National Laboratory создали новую технологию, использую в качестве катализатора металлоорганические каркасы (MOF). Такие структуры являются чрезвычайно пористым материалом, и в данном случае все эти поры содержат различные ингредиенты, каждый из которых играет свою роль в каталитическом процессе.
Вся процедура происходит следующим образом: метан и кислород смешиваются с водой, которая затем непрерывным потоком проходит через гранулы MOF. Под воздействием солнечных лучей в MOF запускается химическая реакция, в результате которой газообразный метан преобразуется в жидкий метанол, который затем легко извлекается из воды.
Основным фактором, который делает это преобразование таким сложным, является разрыв в метане связи между углеродом и водородом, чтобы присоединить атом кислорода для образования новой связи и получения молекулы метанола. В данном случае компоненты, содержащиеся в MOF, поглощают свет и генерируют электроны, которые затем передаются атомам кислорода и метана, в результате чего они объединяются и образовывают молекулы метанола.
Во время экспериментов твердые элементы катализатора продемонстрировали отличную продуктивность. Новые катализаторы можно промывать и использовать многократно (как минимум 10 раз, в течение ближайших 200 часов). Если такую технологию доработать соответствующим образом, она поможет значительно сократить эмиссию СН4, а также уменьшить экологический след от производства метанола
"Мы назвали эту технологию "святым Граалем катализа", - рассказывает Мартин Шредэр, ведущий научный сотрудник проекта. " Сейчас вместо того, чтобы сжигать это полезный углеводород, появилась возможность перерабатывать его непосредственно в метанол - ценное химическое сырье, которое можно использовать в качестве экотоплива, растительных растворителей, гербицидов и присадок для автотранспорта. Кроме того, это вещество является прекрасным катализатором для различных химико-технологических процессов, выполняя своеобразную роль испытательного полигона, на котором мы можем комбинировать различные химикаты и наблюдать за ходом реакции".
Результаты данного проекта были представлены в научном издании "Nature Materials".
Источники: Oak Ridge National Lab via Phys.org, journal Nature Materials, Википедиа
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Метан)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Метанол)
(https://www.ornl.gov/ornl/news/News-Resources)
(https://www.nature.com/articles/s41563-022-01279-1)
(https://phys.org/news/2022-06-holy-grail-catalysisturning-methane-methanol.html)
