Бразильские ученые открыли способ превращения метана в жидкий метанол

Группа исследователей успешно преобразовала метан в метанол, используя легкие и рассеянные переходные металлы, такие как медь, в процессе, известном как фотоокисление. Реакция была лучшей на сегодняшний день для превращения метана в жидкое топливо при температуре окружающей среды и давлении (25 °C и 1 бар соответственно).

Термин «бар» как единица давления происходит от греческого слова «вес» (baros). Один бар равен 100 000 Па (100 кПа), что очень близко к стандартному атмосферному давлению на уровне моря (101,325 Па).

Результаты исследования являются важным шагом в обеспечении доступности природного газа в качестве источника энергии для производства альтернативных видов топлива для бензина и дизельного топлива. Хотя природный газ считается ископаемым топливом, при его преобразовании в метанол выделяется меньше углекислого газа (CO2), чем при использовании другого жидкого топлива того же класса.

В Бразилии метанол играет важную роль в производстве биодизеля и в химической промышленности, которая использует его для производства многих продуктов.

Кроме того, улавливание метана из атмосферы имеет важное значение для смягчения неблагоприятных последствий изменения климата, поскольку газ имеет в 25 раз больший потенциал, чем двуокись углерода, например, способствуя глобальному потеплению.

В научном сообществе ведутся большие споры о масштабах запасов метана на планете. По некоторым оценкам, они могут иметь вдвое больший энергетический потенциал, чем все другие виды ископаемого топлива вместе взятые. «Во время перехода на возобновляемые источники энергии в какой-то момент нам придется использовать весь этот метан», — сказал Маркос да Силва, первый автор статьи, Agência FAPESP. Сильва является докторантом физического факультета Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar).

По словам Иво Фрейтаса Тейшейры, профессора UFSCar, научного руководителя Сильвы и последнего автора статьи, фотокатализатор, использованный в исследовании, был крупным нововведением. «Наша группа внедрила значительные инновации, окисляя метан в одну стадию», — сказал он. «В химической промышленности эта конверсия происходит путем получения водорода и углекислого газа как минимум в две стадии и в условиях очень высокого давления и температуры. Наш успех в получении метанола в мягких условиях с меньшими затратами энергии — это огромный шаг вперед. ”

По словам Тейшейры, результаты прокладывают путь для будущих исследований использования солнечной энергии для этого процесса преобразования, что может еще больше снизить его воздействие на окружающую среду.

оптические стимулы

В лаборатории ученые получили кристаллический нитрид углерода в форме полигептазинимида (PHI), используя неблагородные или широко распространенные переходные металлы, особенно медь, для производства фотокатализаторов, активных в видимом свете.

Затем они использовали фотокатализаторы в реакциях окисления метана с перекисью водорода в качестве инициатора. Медный катализатор ФИ давал большой объем окисленных жидких продуктов, особенно метанола (2900 мкмоль на грамм вещества, или мкмоль.Г-1 за четыре часа).

«Мы нашли лучший катализатор и другие условия, необходимые для химической реакции, такие как использование большого количества воды и лишь небольшого количества перекиси водорода, которая является окислителем», — сказал Тейшейра. Следующие шаги включают в себя более глубокое понимание активных центров меди в материале и их роли в реакции. Мы также планируем использовать кислород непосредственно для производства перекиси водорода в той же реакции. В случае успеха это должно сделать процесс более безопасным и экономически выгодным».

Еще один вопрос, который группа продолжит исследовать, касается меди. «Мы работаем с дисперсной медью. Когда мы писали статью, мы не знали, имеем ли мы дело с изолированными атомами или кластерами. Теперь мы знаем, что это группы», — пояснил он.

В исследовании ученые использовали чистый метан, но в будущем они будут добывать газ из возобновляемых источников энергии, таких как биомасса. По данным Организации Объединенных Наций, до сих пор метан вызвал около 30% глобального потепления с доиндустриальной эпохи. Выбросы метана в результате деятельности человека могут быть сокращены на 45 % в течение следующего десятилетия, что позволит избежать повышения примерно на 0,3 °C к 2045 году.

Стратегия преобразования метана в жидкое топливо с использованием фотокатализатора является новой и коммерчески недоступной, но ее потенциал в ближайшей перспективе велик. «Мы начали наше исследование более четырех лет назад. сказал Тейшейра, ссылаясь на исследование, опубликованное в журнале наук исследователями, связанными с университетами США и Великобритании, во главе с Грэмом Хатчингсом, профессором Кардиффского университета в Уэльсе.