Metangas, en stor naturresurs, kasseras ofta genom förbränning, men ny forskning av forskare vid MIT kan göra det lättare att fånga upp denna gas för användning som bränsle eller kemiskt råmaterial.

Många oljekällor bränner av metan – den största beståndsdelen av naturgas – i en process som kallas fackling, som för närvarande slösar bort 150 miljarder kubikmeter av gasen varje år och genererar häpnadsväckande 400 miljoner ton koldioxid, gör denna process till en betydande bidragande faktor till den globala uppvärmningen. Att låta gasen komma ut oförbränd skulle leda till ännu större miljöskador, dock, eftersom metan är en ännu mer potent växthusgas än vad koldioxid är.

Varför slösas all denna metan bort, när samtidigt naturgas utses som ett viktigt "bro"bränsle när världen styr bort från fossila bränslen, och är mittpunkten i den så kallade skiffergasrevolutionen? Svaret, som man säger inom fastighetsbranschen, är enkelt:plats, plats, plats.

Brunnarna där metan blossas bort utnyttjas i första hand för sin petroleum; metanet är helt enkelt en biprodukt. På platser där det är bekvämt att göra det, metan fångas upp och används för att generera elektrisk kraft eller producera kemikalier. Dock, specialutrustning behövs för att kyla och trycksätta metangas, och speciella trycksatta behållare eller rörledningar behövs för att transportera den. På många ställen, såsom oljeplattformar till havs eller avlägsna oljefält långt från den nödvändiga infrastrukturen, det är helt enkelt inte ekonomiskt lönsamt.

Men nu, MIT kemiprofessor Yogesh Surendranath och tre kollegor har hittat ett sätt att använda el, som potentiellt kan komma från förnybara källor, att omvandla metan till derivat av metanol, en vätska som kan göras till fordonsbränsle eller användas som en prekursor till en mängd olika kemiska produkter. Denna nya metod kan möjliggöra billigare metankonvertering på avlägsna platser. Resultaten, beskrivs i journalen ACS Central Science , skulle kunna bana väg för att ta tillvara en betydande metanförsörjning som annars är totalt bortkastad.

"Detta fynd öppnar dörrarna för ett nytt paradigm av metanomvandlingskemi, " säger Jillian Dempsey, en biträdande professor i kemi vid University of North Carolina, som inte var involverad i detta arbete.

Befintliga industriella processer för att omvandla metan till flytande mellanliggande kemiska former kräver mycket höga driftstemperaturer och stora, kapitalintensiv utrustning. Istället, forskarna har utvecklat en elektrokemisk process vid låg temperatur som kontinuerligt skulle fylla på ett katalysatormaterial som snabbt kan utföra omvandlingen. Denna teknik kan potentiellt leda till "en relativt låg kostnad, tillägg på plats till befintlig brunnshuvudverksamhet, säger Surendranath, som är Paul M. Cook Career Development Assistant Professor vid MIT:s avdelning för kemi.

Elen för att driva sådana system kan komma från vindkraftverk eller solpaneler nära platsen, han säger. Denna elektrokemiska process, han säger, skulle kunna tillhandahålla ett sätt att göra metanomvandlingen – en process som även kallas funktionalisering – "på distans, där många av de "strandade" metanreserverna finns."

Redan, han säger, "metan spelar en nyckelroll som ett övergångsbränsle." Men mängden av detta värdefulla bränsle som nu bara har blossat bort, han säger, "är ganska häpnadsväckande." Den stora mängden spilld naturgas kan till och med ses på satellitbilder av jorden på natten, i områden som Bakkens oljefält i North Dakota som lyser lika starkt som stora storstadsområden på grund av fackling. Baserat på Världsbankens uppskattningar, global fackling av metanavfall en mängd motsvarande ungefär en femtedel av USA:s naturgasförbrukning.

När den gasen blossar av istället för att släppas ut direkt, Surendranath säger, "du minskar miljöskadorna, men du slösar också bort energin." Att hitta ett sätt att göra metanomvandling till tillräckligt låg kostnad för att göra det praktiskt för avlägsna platser "har varit en stor utmaning inom kemin i decennier, " säger han. Det som gör metanomvandlingen så tuff är att kol-vätebindningarna i metanmolekylen motstår att brytas, och samtidigt finns det en risk att reaktionen överdrivs och att det slutar med en skenande process som förstör den önskade slutprodukten.

Katalysatorer som skulle kunna göra jobbet har studerats i många år, men de kräver vanligtvis starka kemiska medel som begränsar reaktionshastigheten, han säger. Det viktigaste nya framsteg var att lägga till en elektrisk drivkraft som kunde justeras exakt för att generera mer potenta katalysatorer med mycket höga reaktionshastigheter. "Eftersom vi använder el för att driva processen, detta öppnar nya möjligheter att göra processen snabbare, selektiv, och bärbar än befintliga metoder, " säger Surendranath. Och dessutom, "vi kan komma åt katalysatorer som ingen har observerat tidigare, eftersom vi genererar dem på ett nytt sätt."

Resultatet av reaktionen är ett par flytande kemikalier, metylbisulfat och metansulfonsyra, som kan vidarebearbetas för att göra flytande metanol, en värdefull kemisk mellanprodukt till bränslen, plast, och läkemedel. De ytterligare bearbetningsstegen som krävs för att göra metanol är fortfarande mycket utmanande och måste fulländas innan denna teknik kan implementeras i industriell skala. Forskarna förfinar aktivt sin metod för att tackla dessa tekniska hinder.

"Detta arbete sticker verkligen ut eftersom det inte bara rapporterar ett nytt system för selektiv katalytisk funktionalisering av metan till metanolprekursorer, men den innehåller detaljerad insikt i hur systemet kan utföra denna selektiva kemi. Den mekanistiska informationen kommer att vara avgörande för att översätta denna spännande upptäckt till en industriell teknologi, " säger Dempsey.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.