Metan som inte kan transporteras blir en biprodukt som förbränns (eller flammar upp) vid källan, vilket är både slösaktigt och oerhört förorenande. Kredit:Shutterstock
UNSW-kemister har konstruerat en ny molekylär "last" genom att inkludera den sällsynta metallen osmium, som kan binda metan i timmar - vilket ger avgörande bevis för ett mellansteg som kommer att informera nya katalysatorer att lagra, transportera eller omvandla gasen till metanol och hjälpa för att förhindra slöseri med gasen över hela världen.
Detta nya "osmium-metan"-komplex kan binda metan – mer känd som naturgas – i timmar, mycket längre än den nuvarande standarden på mikrosekunder, vilket möjliggör analys för att skapa potentiella nya katalysatorer för att omvandla metan.
"Vi har funnit att metan, som i allmänhet är inert, kommer att interagera med en osmiummetallcentrerad art för att bilda ett relativt stabilt osmium-metankomplex. Vårt komplex har en effektiv halveringstid på cirka 13 timmar", säger James Watson, chef. författare publicerar i Nature Chemistry . "Detta betyder att det tar 13 timmar för hälften av komplexet att sönderfalla.
"Denna stabilitet, i kombination med den relativt långa livslängden för detta komplex, möjliggör en djupgående analys av strukturen, bildningen och reaktiviteten hos denna klass av [osmium]komplex och hjälper till att informera utformningen av katalysatorer som har potential att transformera metan till mer syntetiskt användbara föreningar."
Den analytiska teknik som Mr. Watson hänvisar till är kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Provet, för att kunna analyseras ordentligt, måste existera i mer än några minuter - något som inte var möjligt med de tidigare metall-metankomplexen som bildades av molekylär metan (som bara existerade i mikrosekunder). Osmium-metankomplexet ger en mycket stabilare halveringstid på 13 timmar och andra fördelar.
James Watson håller i apparaten som används för att fotolysera (använd ljus för att sönderdela) provet medan han är inne i NMR-spektrometern. Kredit:University of New South Wales
"[I] detta komplex är metanet perfekt placerat - nära katalysatorns metallosmiumcentrum - vilket gör att vi kan utföra kemiska omvandlingar på metanet", säger Mr. Watson.
Syftet med NMR-spektroskopi är att definiera metall-metankomplexet så att katalysatorer kan utvecklas för att omvandla metanet till metanol eller andra produkter.
Metan (naturgas) är en potent molekyl både som bränslekälla och som växthusgas, och ändå förbränns rikliga volymer av den runt om i världen, inte för att värma hem eller laga mat utan istället förs ut som avfall.
"Metan är en oönskad biprodukt från oljeproduktion och förbränns vanligtvis, av ekonomiska skäl, i en process som kallas 'flaring'", säger medförfattaren docent Graham Ball. "Mängden gas som förbränns på detta sätt motsvarar ungefär efterfrågan på naturgas i Central- och Sydamerika, vilket leder till 265 miljoner ton CO2 utsläpp 2020."
Detta avfall uppstår eftersom processen att omvandla metan (gas) till ett praktiskt bränsle på platsen – som metanol (en vätska) – historiskt sett har varit ekonomiskt olämplig. Vi har helt enkelt inte kunnat konvertera det.
"Ett sätt att omvandla metan till flytande bränslen är genom att använda katalysatorer som innehåller övergångsmetallelement", förklarar A/Prof. Bolla.
"Inte bara [är flytande bränslen] mycket bekvämare och mycket säkrare än att lagra gaser, utan [kommer in] också till en mycket lägre energikostnad.
"Flytande bränslen är lättare att transportera och skulle enkelt integreras i vår befintliga bränsleinfrastruktur — E10-bensin har redan 10 procent etanol. Om det fanns effektiva, kommersiellt gångbara metoder för att omvandla till exempel metan till metanol, skulle detta också ge ett incitament till att behålla metan för omvandling och för att undvika att bränna det utan syfte, vilket minskar den totala användningen av fossila bränslen och skadliga utsläpp."
Att översätta metan till ett tillstånd som är mer kompatibelt och praktiskt än "gas" ger fler fördelar.
"Den kanske mest relevanta användningen av metan som råvara skulle vara dess bindning från atmosfären, vilket kan stävja den bestående skada som görs på miljön och hjälpa till att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5°C", säger James Watson.
Hitta osmium
Med tanke på osmiums främsta kandidatur för att binda metan - varför tog det så lång tid att hitta? Och hur identifierade teamet det?
"Innan vi syntetiserade några molekyler använde vi beräkningsmetoder för att förutsäga vilka molekyler som skulle innehålla både en reaktiv metall och en "ledig plats", en plats som skulle binda metan starkast", säger A/Prof. Ball.
"Det är därför vi slutade med att använda en ganska esoterisk metall, osmium i det här fallet, med andra grupper av atomer runt den, eftersom modelleringen förutspådde att den skulle binda metan väl ... vilket den gör.
"Den lediga platsen genereras genom att UV-ljus lyser på en lösning av en prekursor övergångsmetallförening som är löst i ett noggrant utvalt hydrofluorkolvätelösningsmedel, som allt sker i närvaro av tillsatt metan. Valet av lösningsmedel är avgörande eftersom vanliga laboratorielösningsmedel alla binder hellre än metan, men fluorkolvätet gör det inte."
Så det är kombinationen av osmium och lösningsmedlet (lösningsmedlets effektivitet har tidigare identifierats av Dr. Camile Holt) som är nyckeln här.
"Det är osannolikt att detta exakta [osmium-metan]-komplex kommer att utnyttjas till förmån för miljön, om vi kunde förfina komplexet ytterligare så att det skulle fortsätta att preferentiellt binda metan vid temperaturer högre än -90°C då kan vi kanske utföra fler manipulationer på den bundna metanen och i slutändan omvandla metan till mervärdesprodukter", säger Mr. Watson.
Enligt forskarna representerar detta osmium-metankomplex ett viktigt steg i omvandlingen av metan till andra föreningar.
"Vi hoppas att vår upptäckt kommer att informera utformningen av nästa generations, mer effektiva katalysatorer som kan vara kommersiellt gångbara", säger A/Prof. Boll. + Utforska vidare
