Een groep onderzoekers is erin geslaagd methaan om te zetten in methanol met behulp van lichte en gedispergeerde overgangsmetalen zoals koper in een proces dat bekend staat als foto-oxidatie. Volgens een artikel over de studie gepubliceerd in Chemical Communications , was de reactie de beste die tot nu toe is verkregen voor de omzetting van methaangas in vloeibare brandstof onder omgevingsomstandigheden van temperatuur en druk (respectievelijk 25 °C en 1 bar).

De term bar als eenheid van druk is afgeleid van het Griekse woord voor gewicht (baros). Eén bar komt overeen met 100.000 Pascal (100 kPa), wat zeer dicht bij de standaard atmosferische druk op zeeniveau (101.325 Pa) ligt.

De resultaten van het onderzoek zijn een belangrijke stap in het beschikbaar maken van aardgas als energiebron voor de productie van alternatieve brandstoffen voor benzine en diesel. Hoewel aardgas wordt beschouwd als een fossiele brandstof, stoot de omzetting ervan in methanol minder koolstofdioxide uit (CO₂ ) dan andere vloeibare brandstoffen in dezelfde categorie.

In Brazilië speelt methanol een sleutelrol bij de productie van biodiesel en in de chemische industrie, die het gebruikt om veel producten te synthetiseren.

Bovendien is het opvangen van methaan uit de atmosfeer van cruciaal belang om de nadelige effecten van klimaatverandering te verzachten, aangezien het gas 25 keer het potentieel van CO₂ heeft. , bijvoorbeeld om bij te dragen aan de opwarming van de aarde.

"Er is een groot debat gaande in de wetenschappelijke gemeenschap over de omvang van de methaanreserves van de planeet. Volgens sommige schattingen hebben ze mogelijk het dubbele van het energiepotentieel van alle andere fossiele brandstoffen samen. Bij de overgang naar hernieuwbare energiebronnen zullen we gebruik moeten maken van al dit methaan op een gegeven moment," vertelde Marcos da Silva, eerste auteur van het artikel, aan Agência FAPESP. Silva is een Ph.D. kandidaat bij de afdeling Natuurkunde van de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar).

Volgens Ivo Freitas Teixeira, een professor aan UFSCar, Silva's scriptieadviseur en laatste auteur van het artikel, was de fotokatalysator die in het onderzoek werd gebruikt een belangrijke innovatie. "Onze groep innoveerde aanzienlijk door methaan in één enkele fase te oxideren", zei hij. "In de chemische industrie gebeurt deze omzetting via de productie van waterstof en CO₂ in ten minste twee fasen en onder zeer hoge temperatuur- en drukomstandigheden. Ons succes bij het verkrijgen van methanol onder milde omstandigheden, terwijl we ook minder energie verbruiken, is een grote stap voorwaarts."

Volgens Teixeira effenen de resultaten de weg voor toekomstig onderzoek naar het gebruik van zonne-energie voor dit conversieproces, waardoor de impact op het milieu mogelijk nog verder wordt verminderd.

Fotokatalysatoren

In het laboratorium synthetiseerden de wetenschappers kristallijn koolstofnitride in de vorm van polyheptazine-imide (PHI), met behulp van niet-edele of aardrijke overgangsmetalen, vooral koper, om actieve fotokatalysatoren voor zichtbaar licht te produceren.

Vervolgens gebruikten ze de fotokatalysatoren in methaanoxidatiereacties met waterstofperoxide als initiator. De koper-PHI-katalysator genereerde een groot volume aan geoxygeneerde vloeibare producten, vooral methanol (2900 micromol per gram materiaal, of µmol.g-1 in vier uur).

"We ontdekten de beste katalysator en andere voorwaarden die essentieel zijn voor de chemische reactie, zoals het gebruik van een grote hoeveelheid water en slechts een kleine hoeveelheid waterstofperoxide, dat een oxidatiemiddel is," zei Teixeira. "De volgende stappen omvatten meer begrip van de actieve koperplaatsen in het materiaal en hun rol in de reactie. We zijn ook van plan om zuurstof rechtstreeks te gebruiken om waterstofperoxide in de reactie zelf te produceren. Als dit lukt, zou dit het proces nog veiliger en economisch moeten maken levensvatbaar."

Een ander punt dat de groep zal blijven onderzoeken, heeft betrekking op koper. "We werken met verspreid koper. Toen we het artikel schreven, wisten we niet of we te maken hadden met geïsoleerde atomen of clusters. We weten nu dat het clusters zijn", legt hij uit.

In het onderzoek gebruikten de wetenschappers puur methaan, maar in de toekomst zullen ze het gas uit hernieuwbare bronnen zoals biomassa halen. Volgens de Verenigde Naties heeft methaan tot nu toe ongeveer 30% van de opwarming van de aarde veroorzaakt sinds het pre-industriële tijdperk. De methaanemissies door menselijke activiteit kunnen de komende tien jaar met maar liefst 45% worden verminderd, waardoor een stijging van bijna 0,3 °C tegen 2045 wordt vermeden.

De strategie om methaan om te zetten in vloeibare brandstof met behulp van een fotokatalysator is nieuw en niet in de handel verkrijgbaar, maar het potentieel op korte termijn is aanzienlijk. "We begonnen ons onderzoek meer dan vier jaar geleden. We hebben nu veel betere resultaten dan die van professor Hutchings en zijn groep in 2017, wat ons eigen onderzoek motiveerde," zei Teixeira, verwijzend naar een studie gepubliceerd in het tijdschrift Science door onderzoekers verbonden aan universiteiten in de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk, en geleid door Graham Hutchings, een professor aan de Cardiff University in Wales. + Verder verkennen

Een nieuwe manier om methaan direct om te zetten in methanol met behulp van goud-palladium nanodeeltjes