Metan, en växthusgas som avsevärt bidrar till den globala uppvärmningen, är också en viktig energikälla och en viktig kemisk resurs. När det används som ett kemiskt råmaterial, omvandlas metan vanligtvis till metanol först och sedan till kolväten. Denna sekventiella konvertering kräver dock komplexa industriella inställningar. Ännu viktigare, eftersom metan är en mycket stabil molekyl, kräver dess omvandling till metanol enorma mängder energi när man använder konventionella metoder, såsom ångmetanreformering.
Mot denna bakgrund har den katalytiska omvandlingen av metan till metanol eller andra kemikalier väckt stor uppmärksamhet från forskare, som är ivriga att hitta mer energieffektiva och hållbara lösningar. Bland nyligen rapporterade katalysatorer har koppar (Cu)-innehållande zeoliter visat sig lovande för omvandling av metan till metanol vid milda förhållanden. Tyvärr har utbytet och selektiviteten för de flesta rapporterade katalysatorerna varit låga, vilket innebär att stora mängder oönskade biprodukter genereras tillsammans med metanol.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Nature Communications , ett forskarlag inklusive docent Toshiyuki Yokoi från Tokyo Institute of Technology, Japan, undersökte en ny typ av bifunktionell zeolitkatalysator. Intressant nog kan denna Cu-innehållande, aluminosilikatbaserade zeolit omvandla metan och dikväveoxid, en annan växthusgas, direkt till värdefulla föreningar genom en serie mellanreaktioner.
En av nyckelfrågorna som forskarna tog upp var hur den rumsliga fördelningen av olika aktiva platser i katalysatorn påverkade resultatet av reaktionerna. För detta ändamål beredde de flera katalysatorer med användning av inte bara olika koncentrationer av Cu och syraställen (proton) i vattenlösningar utan också olika fysikaliska blandningstekniker för fasta prover.
Genom olika experimentella och analytiska tekniker fann forskarna att närheten mellan Cu och sura platser var avgörande för att bestämma slutprodukterna. Mer specifikt rapporterade de att när Cu-ställena var nära varandra hade metanolen som producerades i Cu-ställena från metan en högre sannolikhet att överoxideras av en intilliggande Cu-plats, vilket förvandlar den till koldioxid. Däremot, när Cu-ställen och sura ställen låg nära varandra, reagerade metanol med dikväveoxid på en intilliggande sur plats istället för att producera värdefulla kolväten och ofarlig kvävgas.
"Vi drog slutsatsen att för stabil och effektiv produktion av metanol och i slutändan användbara kolväten från metan, är det nödvändigt att jämnt fördela Cu-ställen och sura platser och ha dem på lämpligt avstånd från varandra", förklarar Yokoi. "Vi fann också att fördelningen av erhållna produkter också påverkas av syraegenskaperna och porstrukturen hos zeolitkatalysatorn."
En av de mest anmärkningsvärda fördelarna med den föreslagna katalysatorn är dess förmåga att upprätthålla tandemreaktioner, det vill säga en enkel process som slår samman flera steg till ett och gör sig av med två olika skadliga växthusgaser samtidigt. Denna egenskap kommer att vara nyckeln till att göra sådana katalytiska system attraktiva i en industriell miljö.
"Vårt arbete kommer förhoppningsvis att vägleda framtida ansträngningar för att uppnå metanoxidation till metanol och öppna vägar för att främja kolvätesyntes med metanol som mellanprodukt", avslutar Yokoi.
Mer information: Peipei Xiao et al, Förstå effekten av rumsligt separerade Cu- och syraställen i zeolitkatalysatorer på oxidation av metan, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46924-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
