Den smälta ytan av ett natriumbaserat material skulle kunna hjälpa till direkt omvandling av metan till användbara byggstenar.

För att naturgas effektivt ska kunna omvandlas till användbara industriprodukter krävs rätt katalytisk process. Forskare från KAUST och USA kombinerar state-of-the-art tekniker för materialkaraktärisering för att demonstrera en unik reaktionsväg som visar att smälta katalysatorer baserade på natrium kan tillhandahålla alla de kemiska ämnen som krävs för att optimera processen.

Fria radikaler, molekyler med en oparad valenselektron, såsom hydroxylradikalen, spelar en avgörande roll i den industriellt viktiga omvandlingen av naturgas, främst metan, till eten:en viktig organisk förening som utgör byggstenarna i många varor och polymerer. För att förbättra denna process, känd som oxidativ koppling, det är viktigt att utveckla selektiva katalysatorer.

KAUST-teamet – ledd av Kazuhiro Takanabe och hans elev Abdulaziz Khan – använde in situ-verktyg för att mäta tillståndet hos en katalysator under reaktionsförhållanden. De upptäckte att den aktiva arten i den katalytiska reaktionen som kommer ut på den smälta ytan av natriumvolframat, en kemikalie som är nödvändig för reaktionen, är natriumperoxid. Denna katalysator är unik genom att istället för att aktivera metan direkt, det aktiverar först vatten och genererar sedan gasformiga hydroxylradikaler.

Oxidativ koppling av metan omvandlar metan och syre till eten i en enda reaktor. Tidigare forskning i Takanabes labb hade visat att genom att använda natriumvolframat vid temperaturer över 700 °C, Närvaron av vatten kan både öka hastigheten för metanomvandling och öka produktselektiviteten. Detta kan potentiellt ske genom bildning av hydroxylradikaler och natriumperoxid, men det fanns inga direkta bevis för förekomsten av dessa arter.

Nu, Takanabe och hans medförfattare ger direkta bevis för bildandet av dessa fria radikaler på den smälta ytan av natriumvolframat. De kombinerar ett brett utbud av experimentella tekniker, inklusive röntgendiffraktion, sveptransmissionselektronmikroskopi, laserinducerad fluorescensspektrometri och röntgenfotoelektronspektroskopi, att observera ett yttre lager av smält natriumvolframat som är rikt på natriumhydroxid. "Vi identifierade uteslutande katalysatorns aktiva fas i ett unikt tillstånd under reaktionsförhållanden, " förklarar Takanabe.

Detta bekräftar i sin tur att en natriumbaserad katalysator kan bilda hydroxylradikaler från en blandning av syre och vatten, en reaktion som aldrig har skådats. "Denna katalysator och den unika reaktionsvägen har stor potential att användas i olika katalytiska reaktioner för naturgasomvandling, petroleumraffinaderi och förbränningsreaktioner, säger Takanabe.

Mer allmänt, denna framgång visar också vikten av att kombinera in situspektroskopiska och mikroskopiska tekniker för att bättre förstå högtemperaturgasfaskemi.