Ερευνητές αναπτύσσουν μέθοδο μετατροπής αερίου μεθανίου σε υγρή μεθανόλη

Ερευνητές αναπτύσσουν μέθοδο μετατροπής αερίου μεθανίου σε υγρή μεθανόλη

Μια ομάδα ερευνητών κατάφερε να μετατρέψει το μεθάνιο σε μεθανόλη χρησιμοποιώντας ελαφρά και διαλυμένα μέταλλα μετάπτωσης, όπως ο χαλκός, σε μια διαδικασία γνωστή ως φωτοοξείδωση.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Σύμφωνα με ένα άρθρο που αναφέρει τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Chemical Communications, η αντίδραση ήταν η αποδοτικότερη μέχρι σήμερα για τη μετατροπή του αερίου μεθανίου σε υγρό καύσιμο, υπό συνήθεις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης (25°C και 1 bar αντίστοιχα). Ο όρος bar ως μονάδα πίεσης προέρχεται από την ελληνική λέξη για το βάρος (baros). Ένα bar ισοδυναμεί με 100.000 Pascals (100 kPa), που είναι πολύ κοντά στην τυπική ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας (101.325 Pa).

Τα αποτελέσματα της μελέτης αποτελούν ένα σημαντικό βήμα για τη διάθεση του φυσικού αερίου ως πηγής ενέργειας για την παραγωγή εναλλακτικών καυσίμων έναντι της βενζίνης και του ντίζελ. Παρόλο που το φυσικό αέριο θεωρείται ορυκτό καύσιμο, η μετατροπή του σε μεθανόλη εκπέμπει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από άλλα υγρά καύσιμα της ίδιας κατηγορίας. Στη Βραζιλία, η μεθανόλη παίζει βασικό ρόλο στην παραγωγή βιοντίζελ και στη χημική βιομηχανία, η οποία το χρησιμοποιεί για τη σύνθεση πολλών προϊόντων.

Επιπλέον, η δέσμευση του μεθανίου από την ατμόσφαιρα είναι ζωτικής σημασίας για τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, καθώς το αέριο είναι 25 φορές περισσότερο ισχυρό από το CO2, για παράδειγμα, στη συμβολή που έχει στην υπερθέρμανση του πλανήτη.

«Υπάρχει μεγάλη συζήτηση στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με το μέγεθος των αποθεμάτων μεθανίου του πλανήτη. Σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, μπορεί να έχουν διπλάσιο ενεργειακό δυναμικό από όλα τα άλλα ορυκτά καύσιμα μαζί. Κατά τη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, θα πρέπει να αξιοποιήσουμε όλο αυτό το μεθάνιο κάποια στιγμή», είπε ο Marcos da Silva, κύριος συγγραφέας του άρθρου. Ο Silva είναι υποψήφιος διδάκτορας στο Τμήμα Φυσικής του Ομοσπονδιακού Πανεπιστημίου του São Carlos (UFSCar).

Σύμφωνα με τον Ivo Freitas Teixeira, καθηγητή στο UFSCar, σύμβουλο διατριβής του Silva και συν-συγγραφέα του άρθρου, ο φωτοκαταλύτης που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη αποτελεί μια βασική καινοτομία. «Η ομάδα μας καινοτομεί σημαντικά με την οξείδωση του μεθανίου σε ένα μόνο στάδιο», είπε. «Στη χημική βιομηχανία, αυτή η μετατροπή λαμβάνει χώρα μέσω της παραγωγής υδρογόνου και CO2 σε τουλάχιστον δύο στάδια και υπό συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Η επιτυχία μας έγκειται στην παραγωγή μεθανόλης υπό συμβατικές συνθήκες, ενώ παράλληλα καταναλώνουμε λιγότερη ενέργεια, γεγονός που καθιστά τη συγκεκριμένη έρευνα ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός».

Σύμφωνα με τον Teixeira, τα αποτελέσματα ανοίγουν το δρόμο για μελλοντική έρευνα σχετικά με τη χρήση της ηλιακής ενέργειας για τη συγκεκριμένη διαδικασία μετατροπής, μειώνοντας δυνητικά περαιτέρω τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της.

Φωτοκαταλύτες

Στο εργαστήριο, οι επιστήμονες συνέθεσαν κρυσταλλικό νιτρίδιο του άνθρακα με τη μορφή ιμιδίου πολυεπταζίνης (polyheptazine imide, PHI), χρησιμοποιώντας μη ευγενή μέταλλα ή μέταλλα μετάπτωσης που βρίσκονται σε αφθονία, ιδιαίτερα χαλκό, για την παραγωγή ενεργών φωτοκαταλυτών ορατού φωτός. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν τους φωτοκαταλύτες σε αντιδράσεις οξείδωσης μεθανίου με υπεροξείδιο του υδρογόνου σε ρόλο εκκινητή της αντίδρασης. Ο καταλύτης χαλκού-ΡΗΙ παρήγαγε μεγάλο όγκο οξυγονωμένων υγρών προϊόντων, ιδιαίτερα μεθανόλης (2.900 μικρογραμμομόρια ανά γραμμάριο υλικού, ή μmol.g-1 σε τέσσερις ώρες).

«Ανακαλύψαμε τον καλύτερο καταλύτη και άλλες συνθήκες που είναι απαραίτητες για τη χημική αντίδραση, όπως η χρήση μεγάλης ποσότητας νερού και μόνο μικρής ποσότητας υπεροξειδίου του υδρογόνου, που είναι οξειδωτικός παράγοντας», είπε ο Teixeira. «Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν την κατανόηση περισσότερων για τις ενεργές θέσεις χαλκού στον φωτοκαταλύτη και τον ρόλο τους στην αντίδραση. Σχεδιάζουμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε απευθείας οξυγόνο για την παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου στην ίδια την αντίδραση. Εάν είναι επιτυχές, αυτό θα κάνει τη διαδικασία ακόμη πιο ασφαλή και οικονομικά βιώσιμη».

Ένα άλλο σημείο που θα συνεχίσει να διερευνά η ομάδα σχετίζεται με τον χαλκό. «Δουλεύουμε με στερεό διάλυμα χαλκού. Όταν αναφέραμε στο σχετικό επιστημονικό άρθρο, δεν ξέραμε αν είχαμε να κάνουμε με μεμονωμένα άτομα χαλκού ή ομάδες. Τώρα ξέρουμε ότι είναι ομάδες», εξήγησε.

Στη μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν καθαρό μεθάνιο, αλλά στο μέλλον θα εξάγουν το αέριο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η βιομάζα. Σύμφωνα με τα Ηνωμένα Έθνη, το μεθάνιο έχει προκαλέσει μέχρι στιγμής περίπου το 30% της υπερθέρμανσης του πλανήτη από την προβιομηχανική εποχή. Οι εκπομπές μεθανίου από την ανθρώπινη δραστηριότητα θα μπορούσαν να μειωθούν έως και 45% την επόμενη δεκαετία, αποφεύγοντας μια άνοδο σχεδόν 0,3°C έως το 2045.

Η στρατηγική της μετατροπής του μεθανίου σε υγρό καύσιμο με χρήση φωτοκαταλυτών είναι νέα και δεν είναι διαθέσιμη εμπορικά, αλλά οι δυνατότητές της βραχυπρόθεσμα είναι σημαντικές. «Ξεκινήσαμε την έρευνά μας πριν από τέσσερα χρόνια. Τώρα έχουμε πολύ καλύτερα αποτελέσματα από αυτά του καθηγητή Hutchings και της ομάδας του το 2017, η έρευνα των οποίων αποτέλεσε κίνητρο για τη δική μας έρευνα», είπε ο Teixeira, αναφερόμενος σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science από ερευνητές συνδεδεμένους με πανεπιστήμια στις Ηνωμένες Πολιτείες και στο Ηνωμένο Βασίλειο, με επικεφαλής τον Graham Hutchings, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Cardiff στην Ουαλία.

Πηγή: Phys.org

Πρωτότυπη ερευνητική εργασία: Marcos A. R. da Silva et al, Selective methane photooxidation into methanol under mild conditions promoted by highly dispersed Cu atoms on crystalline carbon nitrides, Chemical Communications (2022). DOI: 10.1039/D2CC01757A

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER