Omvandlingen skedde under omgivande temperatur- och tryckförhållanden, vilket skulle kunna göra det möjligt att använda metan, en potent växthusgas, för att producera bränsle. Kredit:UFSCAR
En grupp forskare har lyckats omvandla metan till metanol med hjälp av lätta och dispergerade övergångsmetaller som koppar i en process som kallas fotooxidation. Enligt en artikel som rapporterade studien publicerad i Chemical Communications var reaktionen den bästa hittills erhållna för omvandling av metangas till flytande bränsle under omgivningsbetingelser av temperatur och tryck (25 °C respektive 1 bar).
Termen bar som en enhet för tryck kommer från det grekiska ordet för vikt (baros). En bar motsvarar 100 000 Pascal (100 kPa), vilket är mycket nära standardatmosfärstrycket vid havsnivå (101 325 Pa).
Resultaten av studien är ett viktigt steg för att göra naturgas tillgänglig som energikälla för produktion av alternativa bränslen till bensin och diesel. Även om naturgas anses vara ett fossilt bränsle, avger dess omvandling till metanol mindre koldioxid (CO2 ) än andra flytande bränslen i samma kategori.
I Brasilien spelar metanol en nyckelroll i produktionen av biodiesel och i den kemiska industrin, som använder den för att syntetisera många produkter.
Dessutom är metanfångst från atmosfären avgörande för att mildra de negativa effekterna av klimatförändringarna, eftersom gasen har 25 gånger potentialen för CO2 till exempel för att bidra till den globala uppvärmningen.
"Det pågår en stor debatt i det vetenskapliga samfundet om storleken på planetens metanreserver. Enligt vissa uppskattningar kan de ha dubbelt så stor energipotential som alla andra fossila bränslen tillsammans. I övergången till förnybara energikällor måste vi utnyttja allt detta metan vid något tillfälle," sa Marcos da Silva, första författare till artikeln, till Agência FAPESP. Silva är en Ph.D. kandidat vid fysikavdelningen vid Federal University of São Carlos (UFSCar).
Enligt Ivo Freitas Teixeira, professor vid UFSCar, Silvas avhandlingsrådgivare och sista författare till artikeln, var fotokatalysatorn som användes i studien en nyckelnyhet. "Vår grupp förnyade sig avsevärt genom att oxidera metan i ett enda steg," sa han. "Inom den kemiska industrin sker denna omvandling via produktion av väte och CO2 i minst två steg och under mycket höga temperatur- och tryckförhållanden. Vår framgång med att få fram metanol under milda förhållanden, samtidigt som vi förbrukar mindre energi, är ett stort steg framåt."
Enligt Teixeira banar resultaten väg för framtida forskning om användningen av solenergi för denna omvandlingsprocess, vilket potentiellt kan minska dess miljöpåverkan ytterligare.
Fotokatalysatorer
I laboratoriet syntetiserade forskarna kristallin kolnitrid i form av polyheptazinimid (PHI), med användning av icke-ädla eller jordrik övergångsmetaller, särskilt koppar, för att producera aktiva fotokatalysatorer för synligt ljus.
De använde sedan fotokatalysatorerna i metanoxidationsreaktioner med väteperoxid som initiator. Koppar-PHI-katalysatorn genererade en stor volym syresatta flytande produkter, särskilt metanol (2 900 mikromol per gram material, eller µmol.g-1 på fyra timmar).
"Vi upptäckte den bästa katalysatorn och andra förhållanden som är väsentliga för den kemiska reaktionen, som att använda en stor mängd vatten och endast en liten mängd väteperoxid, som är ett oxidationsmedel," sa Teixeira. "Nästa steg inkluderar att förstå mer om de aktiva kopparställena i materialet och deras roll i reaktionen. Vi planerar också att använda syre direkt för att producera väteperoxid i själva reaktionen. Om det lyckas bör detta göra processen ännu säkrare och ekonomiskt lönsamt."
En annan punkt som gruppen kommer att fortsätta att undersöka gäller koppar. "Vi arbetar med dispergerad koppar. När vi skrev artikeln visste vi inte om vi hade att göra med isolerade atomer eller kluster. Vi vet nu att de är kluster", förklarade han.
I studien använde forskarna ren metan, men i framtiden kommer de att utvinna gasen från förnybara energikällor som biomassa. Enligt FN har metan hittills orsakat cirka 30 % av den globala uppvärmningen sedan den förindustriella tidsåldern. Metanutsläppen från mänsklig aktivitet skulle kunna minskas med så mycket som 45 % under det kommande decenniet och undvika en ökning med nästan 0,3°C till 2045.
Strategin att omvandla metan till flytande bränsle med hjälp av en fotokatalysator är ny och inte tillgänglig kommersiellt, men dess potential på kort sikt är betydande. "Vi började vår forskning för över fyra år sedan. Vi har nu mycket bättre resultat än professor Hutchings och hans grupp 2017, vilket motiverade vår egen forskning", sa Teixeira med hänvisning till en studie publicerad i tidskriften Science av forskare knutna till universitet i USA och Storbritannien, och leds av Graham Hutchings, professor vid Cardiff University i Wales. + Utforska vidare
