Het gesmolten oppervlak van een op natrium gebaseerd materiaal zou kunnen helpen bij de directe omzetting van methaan in bruikbare bouwstenen.

Om aardgas efficiënt om te zetten in bruikbare industriële producten, is het juiste katalytische proces vereist. Onderzoekers van KAUST en de VS combineren state-of-the-art technieken voor materiaalkarakterisering om een ​​uniek reactiepad aan te tonen dat aantoont dat gesmolten katalysatoren op basis van natrium alle chemische soorten kunnen leveren die nodig zijn om het proces te optimaliseren.

Vrije radicalen, moleculen met een ongepaard valentie-elektron, zoals de hydroxylradicaal, een cruciale rol spelen bij de industrieel belangrijke omzetting van aardgas, voornamelijk methaan, tot ethyleen:een vitale organische verbinding die de bouwstenen vormt van veel grondstoffen en polymeren. Om dit proces te verbeteren, bekend als oxidatieve koppeling, het is van vitaal belang om selectieve katalysatoren te ontwikkelen.

Het KAUST-team - onder leiding van Kazuhiro Takanabe en zijn student Abdulaziz Khan - gebruikte in-situ-instrumenten om de toestand van een katalysator onder reactieomstandigheden te meten. Ze ontdekten dat de actieve stof in de katalytische reactie die uittreedt op het gesmolten oppervlak van het natriumwolframaat, een chemische stof die nodig is voor de reactie, is natriumperoxide. Deze katalysator is uniek omdat in plaats van methaan direct te activeren, het activeert eerst water en genereert vervolgens gasvormige hydroxylradicalen.

Oxidatieve koppeling van methaan zet methaan en zuurstof om in ethyleen in een enkele reactor. Eerder onderzoek in het laboratorium van Takanabe had uitgewezen dat door natriumwolframaat te gebruiken bij temperaturen boven 700 °C, de aanwezigheid van water kan zowel de snelheid van de methaanomzetting verhogen als de productselectiviteit verhogen. Dit kan mogelijk gebeuren via de vorming van hydroxylradicalen en natriumperoxide, maar er was geen direct bewijs voor de aanwezigheid van deze soorten.

Nutsvoorzieningen, Takanabe en zijn co-auteurs leveren direct bewijs voor de vorming van deze vrije radicalen op het gesmolten oppervlak van natriumwolframaat. Ze combineren een breed scala aan experimentele technieken, inclusief röntgendiffractie, aftasten transmissie elektronenmicroscopie, laser-geïnduceerde fluorescentiespectrometrie en röntgenfoto-elektronenspectroscopie, om een ​​buitenste laag van gesmolten natriumwolframaat waar te nemen die rijk is aan natriumhydroxide. "We hebben exclusief de actieve fase van de katalysator geïdentificeerd in een unieke staat onder reactieomstandigheden, ", legt Takanabe uit.

Dit bevestigt op zijn beurt dat een op natrium gebaseerde katalysator hydroxylradicalen kan vormen uit een mengsel van zuurstof en water, een reactie die nog nooit is gezien. "Deze katalysator en het unieke reactiepad hebben een groot potentieel voor gebruik in verschillende katalytische reacties voor aardgasconversie, aardolieraffinaderij en verbrandingsreacties, ' zegt Takanabe.

Breder, dit succes toont ook het belang aan van het combineren van in situspectroscopische en microscopische technieken om de gasfasechemie bij hoge temperatuur beter te begrijpen.