Convertendo metano em metanol sob condições ambientais usando luz

Convertendo metano em metanol sob condições ambientais usando luz

O gás natural, constituído principalmente por metano, apresenta uma densidade energética relativamente baixa em condições ambientais. A oxidação parcial do metano em metanol eleva a densidade de energia e impulsiona a produção de vários produtos químicos. Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada por cientistas da Universidade de Manchester, desenvolveu um método rápido e econômico de converter metano, ou gás natural, em metanol líquido à temperatura e pressão ambiente.

Os cientistas usaram luz visível para conduzir a conversão sob fluxo contínuo sobre um material fotocatalítico. Usando espalhamento de nêutrons no instrumento VISION, eles observaram o funcionamento do processo e quão seletivo ele é.

O método envolve um fluxo contínuo de água saturada de metano/oxigênio sobre uma nova estrutura metal-orgânica (MOF ) catalisador. Diferentes componentes no MOF têm um papel na absorção de luz, transferência de elétrons e ativação e união de metano e oxigênio. O metanol líquido é facilmente extraído da água. Este processo tem sido comumente considerado “um santo graal da catálise.”

A dificuldade de enfraquecer ou quebrar a ligação química carbono-hidrogênio (CH) para introduzir átomos de oxigênio (O) para formar um C- A ligação OH tem sido um grande obstáculo na conversão de metano (CH4) em metanol (CH3OH). A reforma a vapor e a oxidação do gás de síntese são normalmente as duas fases dos processos convencionais de conversão de metano, que precisam de altas temperaturas e pressões e consomem muita energia, são caros e ineficazes.

O processo recém-desenvolvido é rápido e econômico . Ele usa um material MOF multicomponente e luz visível para conduzir a conversão. Enquanto exposto à luz, uma camada de grânulos MOF é passada através de um fluxo de água saturada de CH4 e O2. O MOF é composto por vários elementos projetados que são posicionados de forma fixa dentro da superestrutura porosa. Juntos, eles absorvem a luz para criar elétrons, que são então transferidos para oxigênio e metano dentro dos poros para criar metanol.

Sihai Yang, professor de química em Manchester e autor correspondente, disse, “Para simplificar bastante o processo quando o gás metano é exposto ao material MOF funcional contendo sítios mono-ferro-hidroxila, as moléculas de oxigênio ativadas e a energia da luz promovem a ativação da ligação CH no metano para formar metanol. O processo é 100% seletivo – o que significa que não há subproduto indesejável – comparável à metano monooxigenase, que é a enzima na natureza para este processo.”

As investigações não mostraram perda de desempenho quando o catalisador sólido é isolado, limpo, seco e reutilizado por pelo menos dez ciclos, ou aproximadamente 200 horas de tempo de reação.

O novo método fotocatalítico é comparável a como as plantas usam a fotossíntese para transformar a energia luminosa em energia química. Através de suas folhas, as plantas absorvem dióxido de carbono e luz do sol. Essas substâncias são posteriormente transformadas em açúcares, oxigênio e vapor de água por um processo fotocatalítico.

Martin Schröder, vice-presidente e reitor da faculdade de ciência e engenharia de Manchester e autor correspondente, disse, “Este processo foi denominado o ‘santo graal da catálise’. Em vez de queimar metano, pode ser possível converter o gás diretamente em metanol. Este produto químico de alto valor pode ser usado para produzir biocombustíveis, solventes, pesticidas e aditivos de combustível para veículos. Este novo material MOF também pode facilitar outros tipos de reações químicas, servindo como uma espécie de tubo de ensaio no qual podemos combinar diferentes substâncias para ver como elas reagem.”

Yongqiang Cheng, cientista de instrumentos da Diretoria de Ciências de Nêutrons do ORNL, disse: “Usar a dispersão de nêutrons para tirar ‘fotos’ no instrumento VISION confirmou inicialmente as fortes interações entre CH4 e os locais de mono-ferro-hidroxil no MOF que enfraquecem as ligações CH.”

Anibal “Timmy” Ramirez Cuesta, que lidera o Grupo de Espectroscopia Química no SNS, disse, “VISÃO é um espectrômetro vibracional de nêutrons de alto rendimento otimizado para fornecer informações sobre estrutura molecular, ligações químicas e interações intermoleculares. Moléculas de metano produzem sinais de dispersão de nêutrons fortes e característicos de sua rotação e vibração, que também são sensíveis ao ambiente local. Isso nos permite revelar as interações de enfraquecimento da ligação entre CH4 e o MOF de forma inequívoca com técnicas avançadas de espectroscopia de nêutrons.”

O novo método de conversão pode reduzir substancialmente os custos operacionais e de equipamento eliminando a necessidade de altas temperaturas ou pressões e usando a energia da luz solar para conduzir o processo de fotooxidação. A maior velocidade do processo e sua capacidade de converter metano em metanol sem subprodutos indesejáveis ​​facilitarão o desenvolvimento de processamento em linha que minimiza custos.

Referência do Diário :

    1. An, B., Li, Z., Wang, Z. et ai. Foto-oxidação direta de metano em metanol sobre um sítio hidroxila mono-ferro. Nat. Mater. (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01279-1

    Povezani postovi

    Ostavite komentar

    pogreška: