Credito:ORNL/Jill Hemman
Un team internazionale di ricercatori, guidato da scienziati dell'Università di Manchester, ha sviluppato un metodo rapido ed economico per convertire il metano, o gas naturale, in metanolo liquido a temperatura e pressione ambiente. Il metodo si svolge in flusso continuo su un materiale fotocatalitico utilizzando la luce visibile per guidare la conversione.
Per aiutare a osservare come funziona il processo e quanto sia selettivo, i ricercatori hanno utilizzato lo scattering di neutroni presso lo strumento VISION presso lo Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory.
Il metodo prevede un flusso continuo di acqua satura di metano/ossigeno su un nuovo catalizzatore metal-organic framework (MOF). Il MOF è poroso e contiene diversi componenti che hanno ciascuno un ruolo nell'assorbimento della luce, nel trasferimento di elettroni e nell'attivazione e nell'unione di metano e ossigeno. Il metanolo liquido si estrae facilmente dall'acqua. Tale processo è stato comunemente considerato "un Santo Graal della catalisi" ed è un'area di interesse per la ricerca supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. I dettagli dei risultati del team, intitolati "Foto-ossidazione diretta del metano a metanolo su un sito di idrossile di mono-ferro", sono pubblicati in Nature Materials.
Il metano presente in natura è un combustibile abbondante e prezioso, utilizzato per forni, fornaci, scaldabagni, forni, automobili e turbine. Tuttavia, il metano può essere pericoloso anche per la difficoltà di estrazione, trasporto e stoccaggio.
Il gas metano è anche dannoso per l'ambiente quando viene rilasciato o fuoriesce nell'atmosfera, dove è un potente gas serra. Le principali fonti di metano atmosferico includono la produzione e l'uso di combustibili fossili, la decomposizione o la combustione di biomasse come incendi boschivi, prodotti di scarto agricoli, discariche e permafrost in scioglimento.
Il metano in eccesso viene comunemente bruciato o bruciato per ridurre il suo impatto ambientale. Tuttavia, questo processo di combustione produce anidride carbonica, che di per sé è un gas serra.
L'industria ha cercato a lungo un modo economico ed efficiente per convertire il metano in metanolo, una materia prima altamente commerciabile e versatile utilizzata per realizzare una varietà di prodotti di consumo e industriali. Ciò non solo contribuirebbe a ridurre le emissioni di metano, ma fornirebbe anche un incentivo economico per farlo.
Il metanolo è una fonte di carbonio più versatile del metano ed è un liquido facilmente trasportabile. Può essere utilizzato per realizzare migliaia di prodotti come solventi, antigelo e plastiche acriliche; tessuti e fibre sintetiche; adesivi, vernici e compensato; e agenti chimici utilizzati nei prodotti farmaceutici e agrochimici. Anche la conversione del metano in un combustibile di alto valore come il metanolo sta diventando più interessante man mano che le riserve di petrolio diminuiscono.
Rompere il legame
Una sfida primaria della conversione del metano (CH4 ) al metanolo (CH3 OH) è stata la difficoltà di indebolire o rompere il legame chimico carbonio-idrogeno (CH) per inserire un atomo di ossigeno (O) per formare un legame C-OH. I metodi convenzionali di conversione del metano prevedono in genere due stadi, il steam reforming seguito dall'ossidazione del syngas, che sono ad alta intensità energetica, costosi e inefficienti poiché richiedono temperature e pressioni elevate.
Il processo rapido ed economico da metano a metanolo sviluppato dal team di ricerca utilizza un materiale MOF multicomponente e luce visibile per guidare la conversione. Un flusso di CH4 e O2 l'acqua satura viene fatta passare attraverso uno strato di granuli MOF mentre è esposta alla luce. Il MOF contiene diversi componenti progettati che sono posizionati e mantenuti in posizioni fisse all'interno della sovrastruttura porosa. Lavorano insieme per assorbire la luce per generare elettroni che vengono passati all'ossigeno e al metano all'interno dei pori per formare metanolo.
"Per semplificare notevolmente il processo, quando il gas metano viene esposto al materiale MOF funzionale contenente siti mono-ferro-idrossile, le molecole di ossigeno attivate e l'energia della luce promuovono l'attivazione del legame CH nel metano per formare metanolo", ha affermato Sihai Yang, professore di chimica a Manchester e autore corrispondente. "Il processo è selettivo al 100%, il che significa che non vi è alcun sottoprodotto indesiderabile, paragonabile alla metano monoossigenasi, che è l'enzima in natura per questo processo."
Gli esperimenti hanno dimostrato che il catalizzatore solido può essere isolato, lavato, asciugato e riutilizzato per almeno 10 cicli, o circa 200 ore di tempo di reazione, senza alcuna perdita di prestazioni.
Il nuovo processo fotocatalitico è analogo al modo in cui le piante convertono l'energia luminosa in energia chimica durante la fotosintesi. Le piante assorbono la luce solare e l'anidride carbonica attraverso le foglie. Un processo fotocatalitico converte quindi questi elementi in zuccheri, ossigeno e vapore acqueo.
"Questo processo è stato definito il 'Santo Graal della catalisi.' Invece di bruciare metano, ora potrebbe essere possibile convertire il gas direttamente in metanolo, una sostanza chimica di alto valore che può essere utilizzata per produrre biocarburanti, solventi, pesticidi e additivi per carburanti per veicoli", ha affermato Martin Schröder, vicepresidente e decano di facoltà di scienze e ingegneria a Manchester e autore corrispondente. "Questo nuovo materiale MOF può anche essere in grado di facilitare altri tipi di reazioni chimiche fungendo da una sorta di provetta in cui possiamo combinare diverse sostanze per vedere come reagiscono."
Utilizzare i neutroni per rappresentare il processo
"L'utilizzo dello scattering di neutroni per scattare 'foto' con lo strumento VISION ha inizialmente confermato le forti interazioni tra CH4 e i siti mono-ferro-idrossile nel MOF che indeboliscono i legami C-H", ha affermato Yongqiang Cheng, scienziato dello strumento presso la Direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL.
"VISION è uno spettrometro vibrazionale di neutroni ad alto rendimento ottimizzato per fornire informazioni sulla struttura molecolare, sui legami chimici e sulle interazioni intermolecolari", ha affermato Anibal "Timmy" Ramirez Cuesta, che guida il Chemical Spectroscopy Group presso SNS. "Le molecole di metano producono segnali di diffusione dei neutroni forti e caratteristici dalla loro rotazione e vibrazione, che sono anche sensibili all'ambiente locale. Questo ci consente di rivelare inequivocabilmente le interazioni di indebolimento del legame tra CH4 e il MOF con tecniche avanzate di spettroscopia di neutroni."
Veloce, economico e riutilizzabile
Eliminando la necessità di temperature o pressioni elevate e utilizzando l'energia della luce solare per guidare il processo di fotoossidazione, il nuovo metodo di conversione potrebbe ridurre sostanzialmente i costi di apparecchiature e di esercizio. La maggiore velocità del processo e la sua capacità di convertire il metano in metanolo senza sottoprodotti indesiderati faciliteranno lo sviluppo di un trattamento in linea che minimizzi i costi. + Esplora ulteriormente
