Kolvätemetanet är mycket rikligt på jorden, men det är nu känt att dess utsläpp bidrar till temperaturökningar och klimatförändringar. Under de senaste åren har forskare försökt ta fram tillförlitliga metoder för att direkt omvandla metan till andra bränslen och kemikalier med värdefulla tillämpningar i den verkliga världen.
Dessa strategier inkluderar katalysatorbaserade metoder för att förmå den oxidativa kopplingen av metan till ämnen som innehåller gröngasen diatomiskt kol (C2 ). Denna reaktion kräver dock vanligtvis extrema och utmanande miljöförhållanden, på grund av de ogynnsamma egenskaperna hos de hittills introducerade termokatalysatorerna.
Forskare vid University College London, University of Liverpool har nyligen utvecklat en ny fotokatalysator som kan främja den oxidativa kopplingen av metan. Denna fotokatalysator, introducerad i Nature Energy , är baserad på titandioxid (TiO2 ) laddade med guld (Au) nanokluster.
"Fotokatalytisk oxidativ koppling av metan (OCM) producerar C2 molekyler som kan användas som byggstenar för syntes av bränslen och kemikalier", skrev Xiyi Li, Chao Li och deras kollegor i tidningen. "Men avkastningsgraden och selektiviteten för C2 produkter är fortfarande måttliga på grund av den stabila naturen hos metanmolekyler."
Med hjälp av en snabb sputtermetod kunde forskarna homogent ladda Au nanokluster på TiO2 , som producerar deras lovande nya fotokatalysator. I de första testerna verkade ett optimerat prov av deras fotokatalysator fungera anmärkningsvärt bra, och omvandlade metan till C2 med hög hastighet och utan att kräva särskilt hårda reaktionsförhållanden.
"Vi utvecklar ett Au nanokluster-laddat TiO2 fotokatalysator genom en sputtringsmetod, vilket uppnår en hög metanomvandlingshastighet på 1,1 mmol h −1 , C2 selektivitet på ~90% och skenbar kvanteffektivitet på 10,3 ± 0,6%", förklarade Xiyi Li, Chao Li och deras kollegor i studien.
"Det höga C2 /C2+ utbyteshastigheten är i samma storleksordning som de termiska katalysatorerna som benchmark i OCM-processer som drivs vid hög temperatur (>680 °C). Au nanopartiklar har visat sig förlänga TiO2 fotoelektronlivslängder med en faktor 66 för O2 reduktion, tillsammans med Au som fungerar som en hålacceptor och katalytiskt centrum för att främja metanadsorption, C–H-aktivering och C–C-koppling," fortsatte de.
Sammantaget visar denna studie fördelarna med att använda katalysatorer baserade på olika komponenter med olika funktioner och egenskaper för att möjliggöra oxidativ koppling av metan. Deras föreslagna fotokatalysator, Au60s/TiO2 , visade sig överträffa många tidigare rapporterade katalysatorer som kan utlösa denna reaktion, när det gäller stabilitet, metanomvandlingshastighet och utbyte av C2 .
Noterbart är att lagets fotokatalysator också är lätt att tillverka, vilket skulle kunna underlätta dess storskaliga produktion och distribution. Fler studier kan snart hjälpa till att validera prestandan hos den nya Au60s/TiO2 fotokatalysator och utvärdera dess tillämpbarhet i verkliga miljöer.
I framtiden kan denna studie också bana väg för tillverkning av andra lovande fotokatalysatorer i flera material för pålitlig och direkt omvandling av metan. Tillsammans skulle dessa ansträngningar kunna bidra till ett värdefullt utnyttjande av de rikliga metanreserverna på jorden.
Mer information: Xiyi Li et al., Effektiv hålabstraktion för mycket selektiv oxidativ koppling av metan genom Au-sputtered TiO2 fotokatalysatorer, Naturenergi (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01317-5
Journalinformation: Naturenergi
© 2023 Science X Network
