Een team van onderzoekers van Stanford University en de Universiteit van Leuven in België heeft een intrigerend proces verder opgehelderd dat een belangrijke stap zou kunnen zijn in de richting van een brandstofbesparing op methanol met overvloedig methaan als grondstof, een vooruitgang die de manier waarop de wereld aardgas gebruikt fundamenteel zou kunnen veranderen.

Methanol, de eenvoudigste alcohol, wordt gebruikt om verschillende producten te maken, zoals verf en plastic, en als toevoeging aan benzine. Rijk aan waterstof, methanol kan new-age brandstofcellen aandrijven die aanzienlijke milieuvoordelen kunnen opleveren.

Als aardgas, waarvan methaan het hoofdbestanddeel is, economisch kan worden omgezet in methanol, de resulterende vloeibare brandstof zou veel gemakkelijker kunnen worden opgeslagen en vervoerd dan aardgas en zuivere waterstof. Dat zou ook de uitstoot van methaan uit aardgasverwerkingsfabrieken en pijpleidingen sterk verminderen. Vandaag, ontsnapte methaan, een broeikasgas dat vele malen krachtiger is dan koolstofdioxide, doet bijna de milieuvoordelen van aardgas ten opzichte van olie en steenkool teniet. De nieuwe studie van het team in de huidige editie van Wetenschap is hun laatste om een ​​energiezuinige manier te ontwikkelen om methanol uit methaan te produceren.

"Dit proces maakt gebruik van gewone kristallen die bekend staan ​​als ijzerzeolieten waarvan bekend is dat ze aardgas bij kamertemperatuur omzetten in methanol. " legt Benjamin Snyder uit, die zijn doctoraat behaalde aan Stanford en katalysatoren bestudeerde om de belangrijkste facetten van deze uitdaging aan te pakken. "Maar, dit is een uiterst uitdagende chemie om op praktisch niveau te bereiken, omdat methaan hardnekkig chemisch inert is."

Wanneer methaan wordt geïnfuseerd in poreuze ijzerzeolieten, methanol wordt snel geproduceerd bij kamertemperatuur zonder dat er extra warmte of energie nodig is. Ter vergelijking, het conventionele industriële proces om methanol uit methaan te maken vereist temperaturen van 1000°C (1832°F) en extreem hoge druk.

"Dat is een economisch prikkelend proces, maar zo gemakkelijk is het niet. Aanzienlijke barrières verhinderen opschaling van dit proces naar industriële niveaus, " zei Edward Salomo, Stanford hoogleraar scheikunde en fotonenwetenschap bij SLAC National Accelerator Laboratory. Solomon is de senior auteur van de nieuwe studie.

De zeolieten aanhouden

Helaas, de meeste ijzerzeolieten deactiveren snel. Kan niet meer methaan verwerken, het proces stokt. Wetenschappers zijn erop gebrand om manieren te bestuderen om de prestaties van ijzerzeoliet te verbeteren. De nieuwe studie, co-auteur van Hannah Rhoda, een Stanford-promovendus in anorganische chemie, gebruikt geavanceerde spectroscopie om de fysieke structuur van de meest veelbelovende zeolieten voor de productie van methaan tot methanol te onderzoeken.

"Een belangrijke vraag hier is hoe de methanol eruit te krijgen zonder de katalysator te vernietigen, ' zei Rhoda.

Twee aantrekkelijke ijzerzeolieten kiezen, het team bestudeerde de fysieke structuur van de roosters rond het ijzer. Ze ontdekten dat de reactiviteit sterk varieert afhankelijk van de grootte van de poriën in de omringende kristalstructuur. Het team noemt het het "kooi-effect, " omdat het inkapselende rooster op een kooi lijkt.

Als de poriën in de kooien te groot zijn, de actieve site deactiveert na slechts één reactiecyclus en wordt nooit meer opnieuw geactiveerd. Wanneer de poriënopeningen kleiner zijn, echter, ze coördineren een precieze moleculaire dans tussen de reactanten en de actieve plaatsen van ijzer - een die direct methanol produceert en de actieve plaats regenereert. Door gebruik te maken van dit zogenaamde 'kooi-effect', ' was het team in staat om 40 procent van de gedeactiveerde sites herhaaldelijk opnieuw te activeren - een belangrijke conceptuele vooruitgang in de richting van een katalytisch proces op industriële schaal.

"Katalytische cycli - de voortdurende reactivering van geregenereerde sites - zou op een dag kunnen leiden tot voortdurende, economische methanolproductie uit aardgas, " zei Snyder, nu een postdoctoraal onderzoeker aan UC-Berkeley in de afdeling Scheikunde onder Jeffrey R. Long.

Deze fundamentele stap voorwaarts in de basiswetenschap zal scheikundigen en chemische ingenieurs helpen het proces dat ijzerzeolieten gebruiken om methanol bij kamertemperatuur te produceren, op te helderen. maar er moet nog veel werk worden verzet voordat een dergelijk proces kan worden geïndustrialiseerd.

Het volgende op de lijst van Snyder:het bereiken van het proces niet alleen bij kamertemperatuur aanpakken, maar ook met omgevingslucht in plaats van een andere zuurstofbron, zoals het lachgas dat in deze experimenten werd gebruikt. Omgaan met een krachtig oxidatiemiddel zoals zuurstof, die notoir moeilijk te controleren is in chemische reacties, zal een andere grote hindernis op het pad zijn.

Voor nu, Snyder was zowel verheugd als verbaasd over de illustratieve kracht van de geavanceerde spectroscopische instrumenten in de Solomon-laboratoria die voor dit onderzoek werden gebruikt. Deze waren van onschatbare waarde voor zijn begrip van de chemie en de chemische structuren die betrokken zijn bij het methaan-naar-methanol-proces.

"Het is cool hoe je een zeer krachtig inzicht op atomair niveau kunt krijgen, zoals het kooi-effect, van deze hulpmiddelen die niet beschikbaar waren voor eerdere generaties chemici, ' zei Snoeder.