Ett internationellt team av forskare, ledda av forskare vid University of Manchester, har utvecklat en snabb och ekonomisk metod för att omvandla metan, eller naturgas, till flytande metanol vid rumstemperatur och tryck. Metoden sker under kontinuerligt flöde över ett fotokatalytiskt material med hjälp av synligt ljus för att driva omvandlingen.

För att hjälpa till att observera hur processen fungerar och hur selektiv den är använde forskarna neutronspridning vid VISION-instrumentet vid Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source.

Metoden involverar ett kontinuerligt flöde av metan/syre-mättat vatten över en ny metall-organisk ram (MOF)-katalysator. MOF är porös och innehåller olika komponenter som var och en har en roll i att absorbera ljus, överföra elektroner och aktivera och föra samman metan och syre. Den flytande metanolen extraheras lätt ur vattnet. En sådan process har vanligen betraktats som "en helig gral av katalys" och är ett fokusområde för forskning som stöds av U.S. Department of Energy. Detaljer om teamets resultat, med titeln "Direkt fotooxidation av metan till metanol över en mono-järn hydroxylplats," publiceras i Nature Materials.

Naturligt förekommande metan är ett rikligt och värdefullt bränsle som används för ugnar, ugnar, varmvattenberedare, ugnar, bilar och turbiner. Men metan kan också vara farligt på grund av svårigheten att utvinna, transportera och lagra det.

Metangas är också skadlig för miljön när den släpps ut eller läcker ut i atmosfären, där den är en potent växthusgas. Ledande källor till atmosfärisk metan inkluderar produktion och användning av fossila bränslen, ruttnande eller förbränning av biomassa som skogsbränder, jordbruksavfallsprodukter, deponier och smältande permafrost.

Överskott av metan bränns vanligen av, eller blossas, för att minska dess miljöpåverkan. Men denna förbränningsprocess producerar koldioxid, som i sig är en växthusgas.

Industrin har länge sökt ett ekonomiskt och effektivt sätt att omvandla metan till metanol, ett mycket säljbart och mångsidigt råmaterial som används för att tillverka en mängd olika konsument- och industriprodukter. Detta skulle inte bara bidra till att minska metanutsläppen, utan det skulle också ge ett ekonomiskt incitament att göra det.

Metanol är en mer mångsidig kolkälla än metan och är en lätt transporterbar vätska. Den kan användas för att tillverka tusentals produkter som lösningsmedel, frostskyddsmedel och akrylplaster; syntetiska tyger och fibrer; lim, färg och plywood; och kemiska medel som används i läkemedel och jordbrukskemikalier. Omvandlingen av metan till ett högvärdigt bränsle som metanol blir också mer attraktivt i takt med att petroleumreserverna minskar.

Att bryta bandet

En primär utmaning med att omvandla metan (CH₄ ) till metanol (CH₃ OH) har varit svårigheten att försvaga eller bryta den kemiska bindningen kol-väte (C-H) för att infoga en syreatom (O) för att bilda en C-OH-bindning. Konventionella metanomvandlingsmetoder innefattar vanligtvis två steg, ångreformering följt av syngasoxidation, vilka är energikrävande, dyra och ineffektiva eftersom de kräver höga temperaturer och tryck.

Den snabba och ekonomiska metan-till-metanol-processen som utvecklats av forskargruppen använder ett multikomponent MOF-material och synligt ljus för att driva omvandlingen. Ett flöde av CH₄ och O₂ mättat vatten passerar genom ett lager av MOF-granulerna medan det exponeras för ljus. MOF innehåller olika designade komponenter som är placerade och hålls i fasta positioner i den porösa överbyggnaden. De arbetar tillsammans för att absorbera ljus för att generera elektroner som leds till syre och metan i porerna för att bilda metanol.

"För att avsevärt förenkla processen, när metangas exponeras för det funktionella MOF-materialet som innehåller mono-järn-hydroxyl-ställen, främjar de aktiverade syremolekylerna och energin från ljuset aktiveringen av CH-bindningen i metan för att bilda metanol", säger Sihai Yang, professor i kemi vid Manchester och motsvarande författare. "Processen är 100 % selektiv - vilket innebär att det inte finns någon oönskad biprodukt - jämförbar med metanmonooxygenas, som är enzymet i naturen för denna process."

Experimenten visade att den fasta katalysatorn kan isoleras, tvättas, torkas och återanvändas under minst 10 cykler, eller cirka 200 timmars reaktionstid, utan någon förlust av prestanda.

Den nya fotokatalytiska processen är analog med hur växter omvandlar ljusenergi till kemisk energi under fotosyntes. Växter absorberar solljus och koldioxid genom sina löv. En fotokatalytisk process omvandlar sedan dessa grundämnen till sockerarter, syre och vattenånga.

"Denna process har kallats "katalysens heliga graal." Istället för att bränna metan kan det nu bli möjligt att omvandla gasen direkt till metanol, en högvärdig kemikalie som kan användas för att producera biobränslen, lösningsmedel, bekämpningsmedel och bränsletillsatser för fordon, säger Martin Schröder, vice vd och dekanus för fakulteten för naturvetenskap och teknik i Manchester och motsvarande författare. "Det här nya MOF-materialet kan också underlätta andra typer av kemiska reaktioner genom att fungera som ett slags provrör där vi kan kombinera olika ämnen för att se hur de reagerar."

Användning av neutroner för att avbilda processen

"Att använda neutronspridning för att ta "bilder" på VISION-instrumentet bekräftade initialt den starka interaktionen mellan CH₄ och mono-järn-hydroxylställena i MOF som försvagar CH-bindningarna", säger Yongqiang Cheng, instrumentforskare vid ORNL Neutron Sciences Directorate.

"VISION är en neutronvibrationsspektrometer med hög genomströmning optimerad för att ge information om molekylstruktur, kemisk bindning och intermolekylära interaktioner", säger Anibal "Timmy" Ramirez Cuesta, som leder Chemical Spectroscopy Group på SNS. "Metanmolekyler producerar starka och karakteristiska neutronspridningssignaler från deras rotation och vibrationer, som också är känsliga för den lokala miljön. Detta gör det möjligt för oss att entydigt avslöja de bindningsförsvagande interaktionerna mellan CH₄ och MOF med avancerad neutronspektroskopiteknik."

Snabb, ekonomisk och återanvändbar

Genom att eliminera behovet av höga temperaturer eller tryck och använda energin från solljus för att driva fotooxidationsprocessen kan den nya omvandlingsmetoden avsevärt sänka utrustning och driftskostnader. Den högre hastigheten på processen och dess förmåga att omvandla metan till metanol utan oönskade biprodukter kommer att underlätta utvecklingen av in-line bearbetning som minimerar kostnaderna. + Utforska vidare

Guld-fosfor nanoskivor katalyserar naturgas till grönare energi selektivt