Een internationaal team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van de Universiteit van Manchester, heeft een snelle en economische methode ontwikkeld om methaan, of aardgas, om te zetten in vloeibare methanol bij omgevingstemperatuur en -druk. De methode vindt plaats onder continue stroom over een fotokatalytisch materiaal waarbij zichtbaar licht wordt gebruikt om de conversie aan te drijven.

Om te helpen observeren hoe het proces werkt en hoe selectief het is, gebruikten de onderzoekers neutronenverstrooiing op het VISION-instrument van de Spallation Neutron Source van Oak Ridge National Laboratory.

De methode omvat een continue stroom van methaan/zuurstof verzadigd water over een nieuwe metaal-organische raamwerk (MOF) katalysator. De MOF is poreus en bevat verschillende componenten die elk een rol spelen bij het absorberen van licht, het overdragen van elektronen en het activeren en samenbrengen van methaan en zuurstof. De vloeibare methanol wordt gemakkelijk uit het water gehaald. Een dergelijk proces wordt algemeen beschouwd als "een heilige graal van katalyse" en is een aandachtsgebied voor onderzoek dat wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie. Details van de bevindingen van het team, getiteld "Directe foto-oxidatie van methaan tot methanol over een mono-ijzerhydroxylsite", zijn gepubliceerd in Nature Materials.

Natuurlijk voorkomend methaan is een overvloedige en waardevolle brandstof die wordt gebruikt voor ovens, ovens, boilers, ovens, auto's en turbines. Methaan kan echter ook gevaarlijk zijn vanwege de moeilijkheid om het te extraheren, te transporteren en op te slaan.

Methaangas is ook schadelijk voor het milieu wanneer het vrijkomt of in de atmosfeer lekt, waar het een krachtig broeikasgas is. Belangrijke bronnen van methaan in de atmosfeer zijn onder meer de productie en het gebruik van fossiele brandstoffen, rottende of verbrandende biomassa zoals bosbranden, landbouwafvalproducten, stortplaatsen en smeltende permafrost.

Overtollig methaan wordt gewoonlijk afgebrand of afgefakkeld om de impact op het milieu te verminderen. Dit verbrandingsproces produceert echter koolstofdioxide, dat zelf een broeikasgas is.

De industrie heeft lang gezocht naar een economische en efficiënte manier om methaan om te zetten in methanol, een zeer verhandelbare en veelzijdige grondstof die wordt gebruikt om een ​​verscheidenheid aan consumenten- en industriële producten te maken. Dit zou niet alleen helpen de methaanemissies te verminderen, maar het zou ook een economische stimulans zijn om dit te doen.

Methanol is een veelzijdiger koolstofbron dan methaan en is een gemakkelijk transporteerbare vloeistof. Het kan worden gebruikt om duizenden producten te maken, zoals oplosmiddelen, antivries en acrylkunststoffen; synthetische weefsels en vezels; kleefstoffen, verf en multiplex; en chemische middelen die worden gebruikt in geneesmiddelen en landbouwchemicaliën. De omzetting van methaan in een hoogwaardige brandstof zoals methanol wordt ook aantrekkelijker naarmate de aardoliereserves slinken.

De band verbreken

Een primaire uitdaging bij het omzetten van methaan (CH₄ ) naar methanol (CH₃ OH) was de moeilijkheid om de koolstof-waterstof (C-H) chemische binding te verzwakken of te verbreken om een ​​zuurstof (O) -atoom in te voegen om een ​​C-OH-binding te vormen. Conventionele methaanconversiemethoden omvatten doorgaans twee fasen, stoomreforming gevolgd door syngasoxidatie, die energie-intensief, kostbaar en inefficiënt zijn omdat ze hoge temperaturen en drukken vereisen.

Het snelle en economische methaan-naar-methanol-proces dat door het onderzoeksteam is ontwikkeld, maakt gebruik van een multicomponent MOF-materiaal en zichtbaar licht om de conversie te stimuleren. Een stroom van CH₄ en O₂ verzadigd water wordt onder invloed van licht door een laag van de MOF-korrels geleid. De MOF bevat verschillende ontworpen componenten die in vaste posities in de poreuze bovenbouw worden geplaatst en vastgehouden. Ze werken samen om licht te absorberen om elektronen te genereren die worden doorgegeven aan zuurstof en methaan in de poriën om methanol te vormen.

"Om het proces aanzienlijk te vereenvoudigen, wanneer methaangas wordt blootgesteld aan het functionele MOF-materiaal dat mono-ijzer-hydroxylplaatsen bevat, bevorderen de geactiveerde zuurstofmoleculen en energie van het licht de activering van de C-H-binding in methaan om methanol te vormen," zei Sihai Yang, hoogleraar scheikunde in Manchester en corresponderende auteur. "Het proces is 100% selectief - wat betekent dat er geen ongewenst bijproduct is - vergelijkbaar met methaanmono-oxygenase, het enzym in de natuur voor dit proces."

De experimenten toonden aan dat de vaste katalysator kan worden geïsoleerd, gewassen, gedroogd en hergebruikt gedurende ten minste 10 cycli, of ongeveer 200 uur reactietijd, zonder enig prestatieverlies.

Het nieuwe fotokatalytische proces is analoog aan hoe planten tijdens fotosynthese lichtenergie omzetten in chemische energie. Planten nemen zonlicht en koolstofdioxide op via hun bladeren. Een fotokatalytisch proces zet deze elementen vervolgens om in suikers, zuurstof en waterdamp.

"Dit proces wordt de 'heilige graal van katalyse' genoemd. In plaats van methaan te verbranden, is het nu misschien mogelijk om het gas rechtstreeks om te zetten in methanol, een hoogwaardige chemische stof die kan worden gebruikt om biobrandstoffen, oplosmiddelen, pesticiden en brandstofadditieven voor voertuigen te produceren", zegt Martin Schröder, vice-president en decaan van faculteit wetenschap en techniek in Manchester en corresponderende auteur. "Dit nieuwe MOF-materiaal kan mogelijk ook andere soorten chemische reacties mogelijk maken door als een soort reageerbuis te dienen waarin we verschillende stoffen kunnen combineren om te zien hoe ze reageren."

Neutronen gebruiken om het proces in beeld te brengen

"Het gebruik van neutronenverstrooiing om 'foto's' te maken bij het VISION-instrument bevestigde aanvankelijk de sterke interacties tussen CH₄ en de mono-ijzer-hydroxylplaatsen in de MOF die de C-H-bindingen verzwakken", zegt Yongqiang Cheng, instrumentwetenschapper bij het ORNL Neutron Sciences Directorate.

"VISION is een neutronenvibratiespectrometer met hoge doorvoer die is geoptimaliseerd om informatie te verstrekken over de moleculaire structuur, chemische binding en intermoleculaire interacties", zegt Anibal "Timmy" Ramirez Cuesta, die de Chemical Spectroscopy Group bij SNS leidt. "Methaanmoleculen produceren sterke en karakteristieke neutronenverstrooiingssignalen door hun rotatie en vibratie, die ook gevoelig zijn voor de lokale omgeving. Dit stelt ons in staat om ondubbelzinnig de bindingverzwakkende interacties tussen CH₄ te onthullen en de MOF met geavanceerde neutronenspectroscopietechnieken."

Snel, zuinig en herbruikbaar

Door de noodzaak voor hoge temperaturen of drukken te elimineren en de energie van zonlicht te gebruiken om het foto-oxidatieproces aan te sturen, zou de nieuwe conversiemethode de apparatuur- en bedrijfskosten aanzienlijk kunnen verlagen. De hogere snelheid van het proces en het vermogen om methaan om te zetten in methanol zonder ongewenste bijproducten zal de ontwikkeling van in-line verwerking vergemakkelijken die de kosten minimaliseert. + Verder verkennen

Goud-fosfor nanosheets katalyseren aardgas selectief tot groenere energie