Methaangas, een enorme natuurlijke hulpbron, wordt vaak afgevoerd door verbranding, maar nieuw onderzoek door wetenschappers van MIT zou het gemakkelijker kunnen maken om dit gas op te vangen voor gebruik als brandstof of een chemische grondstof.

Veel oliebronnen verbranden methaan, het grootste bestanddeel van aardgas, in een proces dat affakkelen wordt genoemd. die momenteel 150 miljard kubieke meter gas per jaar verspilt en maar liefst 400 miljoen ton koolstofdioxide genereert, waardoor dit proces een belangrijke bijdrage levert aan de opwarming van de aarde. Het gas onverbrand laten ontsnappen zou leiden tot nog grotere milieuschade, echter, omdat methaan een nog krachtiger broeikasgas is dan koolstofdioxide.

Waarom wordt al dit methaan verspild, wanneer tegelijkertijd aardgas wordt aangeprezen als een belangrijke "brug"-brandstof terwijl de wereld afstand neemt van fossiele brandstoffen, en is het middelpunt van de zogenaamde schaliegasrevolutie? Het antwoord, zoals het gezegde luidt in de makelaardij, is eenvoudig:locatie, plaats, plaats.

De putten waar methaan wordt afgefakkeld, worden vooral geëxploiteerd voor hun aardolie; het methaan is gewoon een bijproduct. Op plaatsen waar dat handig is, methaan wordt opgevangen en gebruikt om elektriciteit op te wekken of chemicaliën te produceren. Echter, speciale apparatuur is nodig om methaangas te koelen en onder druk te brengen, en er zijn speciale containers of pijpleidingen onder druk nodig om het te transporteren. Op veel plaatsen, zoals offshore-olieplatforms of afgelegen olievelden ver van de benodigde infrastructuur, dat is gewoon economisch niet haalbaar.

Maar nu, MIT scheikundeprofessor Yogesh Surendranath en drie collega's hebben een manier gevonden om elektriciteit te gebruiken, die mogelijk uit hernieuwbare bronnen komen, om methaan om te zetten in derivaten van methanol, een vloeistof die kan worden verwerkt tot autobrandstof of kan worden gebruikt als voorloper van een verscheidenheid aan chemische producten. Deze nieuwe methode kan een goedkopere methaanconversie op afgelegen locaties mogelijk maken. De bevindingen, beschreven in het journaal ACS Centrale Wetenschap , kan de weg vrijmaken om gebruik te maken van een aanzienlijke methaanvoorraad die anders volledig verspild wordt.

"Deze bevinding opent de deuren voor een nieuw paradigma van methaanconversiechemie, " zegt Jillian Dempsey, een assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van North Carolina, die niet bij dit werk betrokken was.

Bestaande industriële processen voor het omzetten van methaan in vloeibare chemische tussenvormen vereisen zeer hoge bedrijfstemperaturen en grote, kapitaalintensieve apparatuur. In plaats daarvan, de onderzoekers hebben een elektrochemisch proces bij lage temperatuur ontwikkeld dat continu een katalysatormateriaal zou aanvullen dat de conversie snel kan uitvoeren. Deze technologie kan mogelijk leiden tot "een relatief goedkope, on-site toevoeging aan bestaande bronoperaties, " zegt Surendranath, wie is de Paul M. Cook Career Development Assistant Professor bij de afdeling Chemie van het MIT.

De elektriciteit om dergelijke systemen aan te drijven, kan afkomstig zijn van windturbines of zonnepanelen in de buurt van de locatie, hij zegt. Dit elektrochemische proces, hij zegt, zou een manier kunnen bieden om de methaanconversie - een proces dat ook bekend staat als functionaliseren - "op afstand, waar veel van de 'gestrande' methaanreserves zijn."

Nu al, hij zegt, "methaan speelt een sleutelrol als transitiebrandstof." Maar de hoeveelheid van deze waardevolle brandstof die nu gewoon wordt afgefakkeld, hij zegt, "is behoorlijk onthutsend." Die enorme hoeveelheid verspild aardgas is zelfs 's nachts te zien op satellietbeelden van de aarde, in gebieden zoals de Bakken-olievelden in North Dakota die door het affakkelen net zo fel oplichten als grote stedelijke gebieden. Op basis van schattingen van de Wereldbank, het wereldwijd affakkelen van methaan verspilt een hoeveelheid die overeenkomt met ongeveer een vijfde van het Amerikaanse aardgasverbruik.

Als dat gas wordt afgefakkeld in plaats van direct vrijgelaten, Surendranath zegt, "je vermindert de milieuschade, maar je verspilt ook de energie." Het vinden van een manier om methaanconversie uit te voeren tegen voldoende lage kosten om het praktisch te maken voor afgelegen locaties "is al tientallen jaren een grote uitdaging in de chemie, " zegt hij. Wat de methaanconversie zo moeilijk maakt, is dat de koolstof-waterstofbindingen in het methaanmolecuul niet verbroken worden, en tegelijkertijd bestaat het risico de reactie te overdrijven en te eindigen met een op hol geslagen proces dat het gewenste eindproduct vernietigt.

Katalysatoren die het werk zouden kunnen doen, zijn jarenlang bestudeerd, maar ze vereisen meestal agressieve chemische middelen die de snelheid van de reactie beperken, hij zegt. De belangrijkste nieuwe vooruitgang was het toevoegen van een elektrische aandrijfkracht die nauwkeurig kon worden afgesteld om krachtigere katalysatoren met zeer hoge reactiesnelheden te genereren. "Omdat we elektriciteit gebruiken om het proces aan te drijven, dit opent nieuwe mogelijkheden om het proces sneller te laten verlopen, selectief, en draagbaarder dan bestaande methoden, " zegt Surendranath. En bovendien, "We hebben toegang tot katalysatoren die niemand eerder heeft waargenomen, omdat we ze op een nieuwe manier genereren."

Het resultaat van de reactie is een paar vloeibare chemicaliën, methylbisulfaat en methaansulfonzuur, die verder kan worden verwerkt om vloeibare methanol te maken, een waardevol chemisch tussenproduct voor brandstoffen, kunststoffen, en geneesmiddelen. De extra verwerkingsstappen die nodig zijn om methanol te maken, blijven zeer uitdagend en moeten worden geperfectioneerd voordat deze technologie op industriële schaal kan worden geïmplementeerd. De onderzoekers verfijnen actief hun methode om deze technologische hindernissen aan te pakken.

"Dit werk valt echt op omdat het niet alleen een nieuw systeem rapporteert voor selectieve katalytische functionalisering van methaan tot methanolprecursoren, maar het bevat gedetailleerd inzicht in hoe het systeem deze selectieve chemie kan uitvoeren. De mechanistische informatie zal een belangrijke rol spelen bij het vertalen van deze opwindende ontdekking in een industriële technologie, ' zegt Dempsey.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.