De koolwaterstof methaan is zeer overvloedig aanwezig op aarde, maar het is nu bekend dat de uitstoot ervan bijdraagt ​​aan temperatuurstijgingen en klimaatverandering. De afgelopen jaren hebben onderzoekers geprobeerd betrouwbare methoden te bedenken om methaan direct om te zetten in andere brandstoffen en chemicaliën met waardevolle toepassingen in de praktijk.

Deze strategieën omvatten op katalysatoren gebaseerde methoden om de oxidatieve koppeling van methaan aan stoffen die het groene gas diatomische koolstof bevatten (C₂) te bewerkstelligen. ). Deze reactie vereist echter doorgaans extreme en uitdagende omgevingsomstandigheden, vanwege de ongunstige eigenschappen van de tot nu toe geïntroduceerde thermokatalysatoren.

Onderzoekers van University College London, University of Liverpool hebben onlangs een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die de oxidatieve koppeling van methaan zou kunnen bevorderen. Deze fotokatalysator, geïntroduceerd in Nature Energy , is gebaseerd op titaniumdioxide (TiO₂ ) geladen met gouden (Au) nanoclusters.

"Fotokatalytische oxidatieve koppeling van methaan (OCM) produceert C₂ moleculen die kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor de synthese van brandstoffen en chemicaliën", schreven Xiyi Li, Chao Li en hun collega's in de krant. "De opbrengst en de selectiviteit van C₂ zijn echter producten zijn nog steeds gematigd vanwege de stabiele aard van methaanmoleculen."

Met behulp van een snelle sputtermethode konden de onderzoekers Au-nanoclusters homogeen op TiO₂ laden , die hun veelbelovende nieuwe fotokatalysator produceren. Bij de eerste tests bleek een geoptimaliseerd exemplaar van hun fotokatalysator opmerkelijk goed te presteren, waarbij methaan werd omgezet in C₂ op een hoge snelheid en zonder dat er bijzonder zware reactieomstandigheden nodig zijn.

"We ontwikkelen een met Au-nanoclusters geladen TiO₂ fotokatalysator door middel van sputteren, waarbij een hoge methaanconversiesnelheid van 1,1 mmol h ⁻¹ wordt bereikt , C₂ selectiviteit van ~90% en schijnbare kwantumefficiëntie van 10,3 ± 0,6%", legden Xiyi Li, Chao Li en hun collega's uit in het onderzoek.

"De hoge C₂ /C₂₊ De opbrengst ligt in dezelfde orde van grootte als die van de referentie-thermische katalysatoren in OCM-processen die bij hoge temperaturen (>680 °C) worden uitgevoerd. Er is aangetoond dat Au-nanodeeltjes TiO₂ verlengen de levensduur van foto-elektronen met een factor 66 voor O₂ reductie, waarbij Au fungeert als gatenacceptor en katalytisch centrum om de adsorptie van methaan, C-H-activering en C-C-koppeling te bevorderen," vervolgden ze.

Over het geheel genomen toont deze studie de voordelen aan van het gebruik van katalysatoren op basis van verschillende componenten met verschillende functies en kenmerken om de oxidatieve koppeling van methaan mogelijk te maken. Hun voorgestelde fotokatalysator, Au60s/TiO₂ , bleek beter te presteren dan veel eerder gerapporteerde katalysatoren die deze reactie kunnen veroorzaken, in termen van stabiliteit, methaanconversiesnelheid en opbrengst aan C₂ .

Opvallend is dat de fotokatalysator van het team ook gemakkelijk te fabriceren is, wat de grootschalige productie en inzet ervan zou kunnen vergemakkelijken. Meer onderzoeken zouden binnenkort kunnen helpen de prestaties van de nieuwe Au60s/TiO₂ te valideren fotokatalysator en beoordeel de toepasbaarheid ervan in reële omstandigheden.

In de toekomst zou deze studie ook de weg kunnen vrijmaken voor de fabricage van andere veelbelovende multi-materiaal fotokatalysatoren voor de betrouwbare en directe omzetting van methaan. Gezamenlijk zouden deze inspanningen kunnen bijdragen aan het waardevolle gebruik van de overvloedige methaanvoorraden op aarde.

Meer informatie: Xiyi Li et al, Efficiënte gatenabstractie voor zeer selectieve oxidatieve koppeling van methaan door Au-gesputterd TiO₂ fotokatalysatoren, Natuurenergie (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01317-5

Journaalinformatie: Natuurenergie

© 2023 Science X Netwerk