המרת מתאן למתנול בתנאי סביבה באמצעות אור

המרת מתאן למתנול בתנאי סביבה באמצעות אור

לגז טבעי, המורכב בעיקר מתאן, צפיפות אנרגיה נמוכה יחסית בתנאי הסביבה. חמצון חלקי של מתאן למתנול מעלה את צפיפות האנרגיה ומניע את הייצור של כימיקלים שונים. צוות בינלאומי של חוקרים, בראשותו של מדענים מאוניברסיטת מנצ'סטר, פיתח שיטה מהירה וחסכונית להמרת מתאן, או גז טבעי, למתנול נוזלי בטמפרטורת החדר ובלחץ.

Os מדענים השתמשו באור הנראה לביצוע המרת הזרימה המתמשכת על פני חומר פוטו-קטליטי. באמצעות פיזור נויטרונים במכשיר VISION, הם צפו כיצד התהליך עובד ועד כמה הוא סלקטיבי.

השיטה כוללת זרימה רציפה של מים רוויים מתאן/חמצן על פני זרז מתכת-אורגני חדש (MOF). רכיבים שונים ב-MOF ממלאים תפקיד בספיגת אור, העברת אלקטרונים והפעלה וקשירה של מתאן וחמצן. מתנול נוזלי מופק בקלות ממים. תהליך זה נחשב בדרך כלל ל"גביע קדוש של קטליזה".

הקושי להחליש או לשבור את הקשר הכימי פחמן-מימן (CH) להחדרת אטומי חמצן (O) ליצירת קשר C-OH היווה מכשול עיקרי בהמרה של מתאן (CH4) למתנול (CH3OH). חידוש קיטור וחמצון גז סינתזה הם בדרך כלל שני השלבים של תהליכי המרת מתאן קונבנציונליים, הדורשים טמפרטורות ולחצים גבוהים, הם עתירי אנרגיה, יקרים ולא יעילים.

התהליך החדש שפותח הוא מהיר וחסכוני. הוא משתמש בחומר MOF מרובה רכיבים ובאור נראה להניע את ההמרה. בזמן חשיפה לאור, שכבה של גרגירי MOF עוברת דרך זרם של מים רוויים CH4 ו- O2. ה-MOF מורכב ממספר אלמנטים מעוצבים הממוקמים באופן קבוע בתוך המבנה העל הנקבובי. יחד הם סופגים אור ליצירת אלקטרונים, אשר מועברים לאחר מכן לחמצן ומתאן בתוך הנקבוביות ליצירת מתנול.

סיהאי יאנג, פרופסור לכימיה במנצ'סטר ומחבר מקביל, אמר, "לפשט מאוד את התהליך כאשר גז מתאן נחשף לחומר MOF פונקציונלי המכיל אתרי מונו-ברזל-הידרוקסיל, מולקולות חמצן משופעלות ואנרגיית אור מקדמים את ההפעלה של הקשר CH במתאן ליצירת מתנול. התהליך הוא 100% סלקטיבי - כלומר אין תוצר לוואי לא רצוי - דומה למתאן מונואוקסיגנאז, שהוא האנזים בטבע לתהליך זה".

חקירות לא הראו אובדן ביצועים כאשר הזרז המוצק מבודד, מנוקה, מיובש ועושה שימוש חוזר במשך עשרה מחזורים לפחות, או כ-200 שעות של זמן תגובה.

השיטה הפוטו-קטליטית החדשה דומה לאופן שבו צמחים משתמשים בפוטוסינתזה כדי להפוך אנרגיית אור לאנרגיה כימית. דרך העלים שלהם, צמחים סופגים פחמן דו חמצני ואור שמש. חומרים אלו הופכים מאוחר יותר לסוכרים, חמצן ואדי מים בתהליך פוטו-קטליטי.

מרטין שרדר, סגן נשיא ודיקן הפקולטה למדעים והנדסה במנצ'סטר ומחבר מקביל, אמר: "תהליך זה כונה 'הגביע הקדוש של הזרז'. במקום לשרוף מתאן, ייתכן שניתן יהיה להמיר את הגז ישירות למתנול. כימיקל זה בעל ערך גבוה יכול לשמש לייצור דלק ביולוגי, ממיסים, חומרי הדברה ותוספי דלק לרכב. חומר MOF חדש זה יכול גם להקל על סוגים אחרים של תגובות כימיות, לשמש מעין מבחנה שבה נוכל לשלב חומרים שונים כדי לראות כיצד הם מגיבים".

יונגצ'יאנג צ'נג, מדען מכשירים במנהל מדעי הניוטרונים של ORNL, אמר: "שימוש בפיזור נויטרונים כדי לצלם 'תמונות' במכשיר VISION אישר תחילה אינטראקציות חזקות בין CH4 לאתרי מונו-ברזל-הידרוקסיל על ה-MOF שמחלישים את קשרי CH."

אניבל "טימי" רמירז קואסטה, המובילה את קבוצת הספקטרוסקופיה הכימית ב-SNS, אמרה, "VISÃO הוא ספקטרומטר נויטרונים רטט בעל תפוקה גבוהה המותאם לספק מידע על מבנה מולקולרי, קשרים כימיים ואינטראקציות בין מולקולריות. מולקולות מתאן מייצרות אותות פיזור נויטרונים חזקים האופייניים לסיבוב ורטט שלהם, הרגישים גם לסביבה המקומית. זה מאפשר לנו לחשוף באופן חד משמעי את האינטראקציות מחלישות הקשר בין CH4 ל-MOF באמצעות טכניקות ספקטרוסקופיה מתקדמות של נויטרונים."

שיטת ההמרה החדשה יכולה להפחית באופן משמעותי את עלויות הציוד וההפעלה על ידי ביטול הצורך בטמפרטורות או לחצים גבוהים ושימוש באנרגיית אור השמש כדי להניע את תהליך הפוטאוקסידציה. המהירות המוגברת של התהליך ויכולתו להמיר מתאן למתנול ללא תוצרי לוואי לא רצויים יקלו על פיתוח עיבוד מקוון שממזער עלויות.

הפניה ליומן:

    1. An, B., Li, Z., Wang, Z. et al. חימצון פוטו ישיר של מתאן במתנול באתר הידרוקסיל מונו-ברזל. nat. אִמָא (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01279-1

    הודעות קשורות

    מחשבה אחת על "המרת מתאן למתנול בתנאי סביבה באמצעות אור"

    השאר תגובה

    שְׁגִיאָה: