UNSW-chemici hebben een nieuwe moleculaire "ondeugd" ontwikkeld door het zeldzame metaal osmium op te nemen, dat urenlang methaan kan binden - wat cruciaal bewijs levert voor een tussenstap die nieuwe katalysatoren zal informeren om het gas op te slaan, te transporteren of om te zetten in methanol en helpen om verspilling van het gas wereldwijd te voorkomen.

Dit nieuwe "osmium-methaan"-complex kan methaan - beter bekend als aardgas - urenlang binden, veel langer dan de huidige standaard van microseconden, waardoor de analyse ervan potentiële nieuwe katalysatoren kan creëren om methaan te transformeren.

"We hebben ontdekt dat methaan, dat over het algemeen inert is, een interactie aangaat met een osmium-metaal-gecentreerde soort om een ​​relatief stabiel osmium-methaancomplex te vormen. Ons complex heeft een effectieve halfwaardetijd van ongeveer 13 uur", zegt James Watson, hoofd auteur publiceren in Nature Chemistry . "Dit betekent dat het 13 uur duurt voordat de helft van het complex is afgebroken.

"Deze stabiliteit, in combinatie met de relatief lange levensduur van dit complex, maakt een diepgaande analyse mogelijk van de structuur, vorming en reactiviteit van deze klasse [osmium] -complexen en helpt bij het ontwerpen van katalysatoren die het potentieel hebben om te transformeren methaan in meer synthetisch bruikbare verbindingen."

De analytische techniek waarnaar de heer Watson verwijst, is nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. Het monster moet, om goed te worden geanalyseerd, langer dan een paar minuten bestaan ​​- iets wat niet haalbaar was met de eerdere metaal-methaancomplexen gevormd uit moleculair methaan (dat slechts gedurende microseconden bestond). Het osmium-methaancomplex produceert een veel stabielere halfwaardetijd van 13 uur en andere voordelen.

"[In] dit complex is het methaan perfect gepositioneerd - dicht bij het metaal-osmiumcentrum van de katalysator - waardoor we chemische transformaties op het methaan kunnen uitvoeren", zegt de heer Watson.

Het doel van NMR-spectroscopie is om het metaal-methaancomplex te definiëren, zodat katalysatoren kunnen worden ontwikkeld om het methaan om te zetten in methanol of andere producten.

Methaan (aardgas) is een krachtig molecuul, zowel als brandstofbron als als broeikasgas, en toch worden grote hoeveelheden ervan over de hele wereld verbrand, niet om huizen te verwarmen of om voedsel te koken, maar in plaats daarvan als afval verdreven.

"Methaan is een ongewenst bijproduct van de olieproductie en wordt om economische redenen meestal verbrand in een proces dat bekend staat als 'affakkelen'", zegt co-auteur Associate Professor Graham Ball. "De hoeveelheid gas die op deze manier wordt verbrand, is ongeveer gelijk aan de aardgasvraag van Midden- en Zuid-Amerika, wat leidt tot 265 miljoen ton CO₂ uitstoot in 2020."

Dit afval vindt plaats omdat het proces van het omzetten van methaan (gas) in een praktische brandstof op de locatie - zoals methanol (een vloeistof) - historisch gezien economisch niet levensvatbaar was. We hebben het gewoon niet kunnen converteren.

"Een manier om methaan om te zetten in vloeibare brandstoffen is door het gebruik van katalysatoren die overgangsmetaalelementen bevatten", legt A/Prof uit. Bal.

"Niet alleen [zijn vloeibare brandstoffen] veel handiger en veel veiliger dan het opslaan van gassen, maar [kom binnen] tegen veel lagere energiekosten.

"Vloeibare brandstoffen zijn gemakkelijker te vervoeren en zouden gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in onze bestaande brandstofinfrastructuur - E10-benzine bevat al 10 procent ethanol. Als er efficiënte, commercieel haalbare methoden zouden zijn om bijvoorbeeld methaan om te zetten in methanol, zou dit ook een stimulans zijn om om methaan vast te houden voor conversie en om te voorkomen dat het zonder doel verbrandt, waardoor het totale gebruik van fossiele brandstoffen en schadelijke emissies worden verminderd."

Methaan omzetten in een staat die meer compatibel en praktischer is dan "gas" biedt meer voordelen.

"Misschien is het meest relevante gebruik van methaan als grondstof de opname uit de atmosfeer, wat de blijvende schade aan het milieu zou kunnen beteugelen en zou kunnen helpen de opwarming van de aarde te beperken tot 1,5°C", zegt James Watson.

Osmium vinden

Gezien de voornaamste kandidatuur van osmium voor het binden van methaan - waarom duurde het zo lang om te vinden? En hoe heeft het team het geïdentificeerd?

"Voordat we moleculen synthetiseerden, gebruikten we computationele methoden om te voorspellen welke moleculen zowel een reactief metaal als een 'lege site' zouden bevatten, een site die methaan het sterkst zou binden", zegt A/Prof. Ball.

"Daarom hebben we uiteindelijk een nogal esoterisch metaal gebruikt, in dit geval osmium, met andere groepen atomen eromheen, omdat de modellering voorspelde dat het methaan goed zou binden ... wat het doet.

"De lege plek wordt gegenereerd door UV-licht te schijnen op een oplossing van een overgangsmetaalprecursorverbinding die is opgelost in een zorgvuldig geselecteerd fluorkoolwaterstofoplosmiddel, dat allemaal plaatsvindt in de aanwezigheid van toegevoegd methaan. De keuze van het oplosmiddel is cruciaal, aangezien gewone laboratoriumoplosmiddelen allemaal binden bij voorkeur aan methaan, maar de fluorkoolwaterstof niet."

Het is dus de combinatie van het osmium en het oplosmiddel (de werkzaamheid van het oplosmiddel is eerder vastgesteld door Dr. Camile Holt) die hier de sleutel is.

"[Hoewel het] onwaarschijnlijk is dat dit exacte [osmium-methaan]-complex zal worden geëxploiteerd ten behoeve van het milieu, als we het complex verder zouden kunnen verfijnen zodat het preferentieel methaan blijft binden bij temperaturen hoger dan -90 ° C dan kunnen we misschien meer manipulaties uitvoeren op het gebonden methaan en uiteindelijk methaan omzetten in producten met toegevoegde waarde", zegt dhr. Watson.

Volgens de onderzoekers vormt dit osmium-methaancomplex een belangrijke stap in de omzetting van methaan in andere verbindingen.

"We hopen dat onze ontdekking zal bijdragen aan het ontwerp van efficiëntere katalysatoren van de volgende generatie die commercieel levensvatbaar kunnen zijn", zegt A/Prof. Bal. + Verder verkennen

Tropische methaanemissies dragen in hoge mate bij aan recente veranderingen in de mondiale groeisnelheid van methaan in de atmosfeer