Deponi avbränna flare. Kredit:Eddie Hagler/Public Domain
Det skulle vara en trippelvinst – för klimatet, råvaruresurser, och den kemiska industrin. Med sitt arbete, forskare vid Fritz Haber-institutet vid Max Planck Society i Berlin hoppas kunna skapa grunden för att utvinna användbara kemiska produkter som plast ur den metan som vanligtvis blossas av vid oljeproduktion. De undersöker hur man kan designa en katalysator som omvandlar metan till eten mer effektivt än vad som är möjligt för närvarande. De har nu hittat en banbrytande ledtråd.
Cirka 140 miljarder kubikmeter metan, som rymmer under global oljeproduktion, blossas upp varje år. Detta är avsevärt mer än de beräknade 90 miljarder kubikmeter naturgas som Tyskland förbrukade 2019. Detta ger inte bara bränsle till klimatförändringarna utan slösar också bort ett icke-förnybart fossilt bränsle. Dock, det skulle inte vara lönsamt att bygga rörledningar eller kondenseringsanläggningar för de relativt små mängder metan som tillfälligt utvinns vid enskilda oljeproduktionsanläggningar. Det skulle, dock, löna sig att transportera metanen om den ekonomiskt kunde omvandlas till ämnen som är intressanta för den kemiska industrin. Ett sådant ämne är eten, utgångsmaterialet för polyeten och många andra produkter. Dessa produceras nästan uteslutande av råolja. Tyvärr, den kemiska reaktionen som omvandlar metan direkt till eten sker vid höga temperaturer. "Detta kostar inte bara mycket energi, men resulterar också i att en stor del av metanet förbränns och bildar den oönskade biprodukten CO 2 , säger Annette Trunschke, forskargruppsledare vid Fritz Haber Institute of the Max Planck Society. "Så det är inte riktigt vettigt än."
Natrium är den väsentliga komponenten
Kemisten och hennes team vill ändra på detta. Det är därför de har siktet inställt på den avgörande komponenten i processen:katalysatorn gjord av natrium, mangan, volfram, och kisel. Detta underlättar den kemiska omvandlingen av metan till eten – även om det än så länge bara är 700°C. För att utveckla katalysatorer som fungerar vid lägre temperaturer (dvs med mindre energiinsats) och som endast främjar bildningen av de önskade produkterna, kemister måste först veta vad som är viktigt i en katalysator för denna reaktion. Enligt forskningen från Trunschkes grupp, denna väsentliga komponent är natrium.
"Tills nu, Det har funnits flera teorier om vilket element i katalysatorn som är avgörande för att omvandla metan till eten, " säger Trunschke. "Det kom som lite av en överraskning att natrium, av alla saker, var den viktiga komponenten eftersom den faktiskt borde avdunsta vid reaktionens höga temperaturer". forskningen har visat något annat. Vid höga temperaturer, alkalimetallen omvandlas till den katalytiskt aktiva natriumoxiden. Oxiden frigörs endast under en kort tid och i små mängder på grund av nära interaktion med de andra komponenterna i katalysatorn, och förhindras därmed från att avdunsta. "Detta gör det klart att de andra komponenterna i katalysatorn endast behövs för att frigöra och stabilisera den aktiva formen av katalysatorn, säger Trunschke.
Live anslutning till den fungerande katalysatorn
Forskarna kom till denna slutsats eftersom de var de första som såg katalysatorn i aktion. Genom att använda Raman-spektroskopi i en specialutvecklad apparat, de analyserade vilka ämnen som produceras på katalysatorn medan reaktionens utgångsmaterial flödade över den. "Än så länge, katalysatorer har endast studerats före och efter katalys. Analyser med Raman-spektroskopi vid höga temperaturer har hittills endast utförts på icke-fungerande katalysatorer, säger Maximilian Werny, som gjorde experimenten som en del av sin masteruppsats. "Med Raman-spektroskopi, vi har för första gången observerat hur produkterna skapas."
Både möjligheten att få en levande bild av omvandlingen av metan till eten, och kunskapen om katalysatorn gjord av natrium, mangan, volfram, och kisel skulle kunna hjälpa kemister att utveckla kemiska mediatorer som fungerar vid lägre temperaturer och därmed endast producerar det önskade, användbara produkter och ingen CO 2 på ett mer målinriktat sätt. Ett tillvägagångssätt kan vara att ersätta natrium med andra alkalimetaller och testa om motsvarande katalysatorer producerar eten vid lägre temperaturer. "Du skulle förmodligen behöva andra komponenter för att hålla metallen på plats, säger Trunschke. Hon och hennes team skulle då kunna följa verkningssättet för kandidater för alternativa katalysatorer. Kemister bör då kunna utveckla en katalysator som hjälper till att förhindra slöseri med metan i oljeproduktionen och göra åtminstone en litet bidrag till klimatskyddet.