Команда исследователей из Стэнфордского университета и Левенского университета в Бельгии дополнительно прояснила этот процесс в новом исследовании в выпуске журнала Science .
Открытие может стать важным шагом на пути к экономии топлива на метаноле с обильным содержанием метана в качестве сырья — достижением, которое может коренным образом изменить то, как мир использует природный газ. Метанол — самый простой спирт — используется для изготовления различных продуктов, таких как краски и пластмассы, а также в качестве добавки к бензину. Богатый водородом метанол может приводить в действие топливные элементы нового поколения, которые могут принести значительную пользу окружающей среде.
Если бы природный газ, основным компонентом которого является метан, можно было бы экономично преобразовать в метанол, полученное жидкое топливо было бы намного легче хранить и транспортировать, чем природный газ и чистый водород. Это также значительно сократит выбросы метана из газоперерабатывающих заводов и трубопроводов. Сегодня улетучившийся метан, парниковый газ, во много раз более мощный, чем углекислый газ, почти сводит на нет экологические преимущества природного газа перед нефтью и углем. Новое исследование команды является последним достижением низкоэнергетического способа производства метанола из метана.
«В этом процессе используются обычные кристаллы, известные как цеолиты железа, которые, как известно, превращают природный газ в метанол при комнатной температуре», — объясняет Бенджамин Снайдер, получивший докторскую степень в Стэнфорде, изучая катализаторы для решения ключевых аспектов этой проблемы. «Но это чрезвычайно сложная химия для достижения практического уровня, поскольку метан упорно химически инертен».
Когда метан вводится в пористые железные цеолиты, метанол быстро образуется при комнатной температуре без дополнительных затрат тепла или энергии. Для сравнения: обычный промышленный процесс производства метанола из метана требует температуры 1000 ° C (1832 ° F) и чрезвычайно высокого давления.
«Это заманчивый с экономической точки зрения процесс, но это не так просто. Существенные препятствия не позволяют распространить этот процесс на промышленный уровень », — сказал Эдвард Соломон , профессор химии и фотоники из Стэнфорда из Национальной ускорительной лаборатории SLAC . Соломон — старший автор нового исследования .
К сожалению, большинство железных цеолитов быстро дезактивируются. Невозможно переработать больше метана, процесс прекращается. Ученые были заинтересованы в изучении способов улучшения характеристик цеолита железа. Новое исследование, соавтором которого является Ханна Рода , докторант Стэнфордского университета по неорганической химии, использует передовую спектроскопию для изучения физической структуры наиболее многообещающих цеолитов для производства метана в метанол.
«Ключевой вопрос здесь — как получить метанол без разрушения катализатора», — сказал Рода.
Выбрав два привлекательных железных цеолита, команда исследовала физическую структуру решеток вокруг железа. Они обнаружили, что реакционная способность резко меняется в зависимости от размера пор в окружающей кристаллической структуре. Команда называет это «эффектом клетки», поскольку герметизирующая решетка напоминает клетку.
Если поры в клетках слишком велики, активный центр деактивируется только после одного цикла реакции и больше никогда не активируется. Однако, когда отверстия пор меньше, они координируют точный молекулярный танец между реагентами и активными центрами железа — тот, который непосредственно производит метанол и регенерирует активный центр. Используя этот так называемый «эффект клетки», команда смогла повторно активировать 40 процентов деактивированных участков, что является значительным концептуальным прорывом в направлении каталитического процесса в промышленном масштабе.
«Каталитический цикл — постоянная реактивация регенерированных участков — может когда-нибудь привести к непрерывному и экономичному производству метанола из природного газа», — сказал Снайдер, ныне научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли на кафедре химии под руководством Джеффри Р. Лонга .
Этот фундаментальный шаг вперед в науке поможет прояснить химикам и инженерам-химикам, как цеолиты железа используют для производства метанола при комнатной температуре, но еще предстоит проделать большую работу, прежде чем такой процесс может быть индустриализирован.
Далее в списке Снайдера: достижение процесса не только при комнатной температуре, но и с использованием окружающего воздуха, а не какого-либо другого источника кислорода, такого как закись азота, используемая в этих экспериментах. Работа с мощным окислителем, таким как кислород, который, как известно, трудно контролировать в химических реакциях, станет еще одним серьезным препятствием на этом пути.
На данный момент Снайдер был одновременно доволен и поражен показательными возможностями сложных спектроскопических приборов в лабораториях Соломона, которые использовались для этого исследования. Они были неоценимы для его понимания химии и химических структур, участвующих в процессе превращения метана в метанол.
«Круто, что с помощью этих инструментов, которые были недоступны предыдущим поколениям химиков, можно получить очень мощное понимание атомарного уровня, например эффект клетки», — сказал Снайдер.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК