Мировая нефтяная промышленность впустую сжигает примерно столько же природного газа, сколько потребляет вся Центральная и Южная Америка. Специалисты UNSW разработали новое вещество, связывающее метан, и предложили потенциальный способ экономичного преобразования этого парникового газа в жидкое топливо.

 Метан - очень мощный парниковый газ, хотя и сравнительно недолговечный. По оценкам исследователей, потенциал глобального потепления от выбросов метана, попадающего в атмосферу в течение двадцати лет, белее чем в 87 раз превышает эффект от такого же количества двуокиси углерода. Глобальная концентрация метана в атмосфере на протяжении последних нескольких сотен тысяч лет оставалась относительно стабильной, однако примерно со второй половины 18 века и начала промышленной революции стала стремительно расти.

В настоящее время в результате сжигания "отработанного" метана в факельных установках нефтяной промышленности в атмосферу попадает примерно такое же количество природного газа, как и во всей Южной и Центральной Америке вместе взятой. Depositphotos

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на долю нефтяной и газовой промышленности в настоящее время приходится около 40 процентов выбросов метана. Метан, который выделяется при бурении нефтяных скважин, не представляет интереса для нефтяных компаний. С экономической точки зрения перекачка метана в газовую инфраструктуру не выгодна, хранить его опасно и неудобно, и хотя он может быть каталитически преобразован в гораздо более полезное жидкое топливо, такое как метанол, в настоящий момент этот процесс слишком дорог для производства.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса утверждают, что они совершили важный прорыв в области связывании метана, который "открывает путь к эффективным, экономичным и доступным каталитическим трансформациям".

До сих пор проблема заключалась в том, чтобы удержать молекулы метана в состоянии, необходимом для их изучения. По данным UNSW, исследователям удалось на несколько микросекунд удержать метан в молекулярных "тисках" с помощью металометановых соединений. Однако этого недостаточно, поскольку для анализа таких молекул с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса требуется несколько минут.

При помощи искусственного интеллекта ученые UNSW попытались спрогнозировать, как долго различные металлы будут удерживать метан. Протестировав почти все металлы периодической таблицы, команда остановилась на осмии - платиновом металле и элементе с самой высокой плотностью, встречающемся в природе.

Новое соединение на основе осмия способно чрезвычайно эффективно связывать метан. При этом периодом полураспада нового комплекса составляет около 13 часов в отличие от микросекунд, наблюдавшихся в более ранних экспериментах. UNSW

"Мы обнаружили, что метан, который обычно инертен, взаимодействуя с осмием, образует относительно стабильный осмий-метановый комплекс", - говорит Джеймс Уотсон, ведущий автор нового исследования. "Это соединение имеет эффективный период полураспада порядка 13 часов. Такая стабильность в сочетании с относительно долгим временем жизни позволяет провести детальный анализ структуры и реакционной способности этого класса (осмиевых комплексов) и разработать катализаторы, способные превратить метан в более пригодные для синтеза соединения".

Осмий - один из самых редких элементов на Земле, но в данном случае это вряд ли будет иметь значение. Важно то, что впервые такие соединения позволили провести подробный молекулярный анализ, в результате которого должны появиться новые доступные катализаторы, способные быстро и экономично превращать метан в жидкое топливо.

"Одним из способов преобразования метана в жидкое топливо является использование катализаторов, в состав которых входят элементы группы переходных металлов", - объясняет соавтор исследования доцент Грэм Болл. "Жидкое топливо является не только более удобным и безопасным, чем хранение газов, но и имеет гораздо более низкую стоимость энергии".

"Жидкое топливо гораздо проще транспортировать, - продолжает он, - "и оно легко интегрируется в существующую топливную инфраструктуру (бензин Е10 уже содержит 10 процентов этанола). Если бы существовали эффективные, коммерчески выгодные методы преобразования метана, например, в метанол, то они также послужили бы стимулом для переработки метана, сокращая общее использование ископаемого топлива и вредные выбросы. Мы надеемся, что наше открытие поможет разработать более эффективные катализаторы следующего поколения, которые могут стать коммерчески жизнеспособными".

Результаты данного эксперимента были представлены в издании Nature Chemistry.

Источники: University of New South Wales, journal Nature Chemistry.
(https://www.nature.com/articles/s41557-022-00929-w)
(https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/binding-methane-metal-new-hope-recycling-potent-fossil-fuel)