I chimici dell'UNSW hanno progettato un nuovo "vizio" molecolare, includendo il raro metallo osmio, che può legare il metano per ore, fornendo prove cruciali per una fase intermedia che informerà i nuovi catalizzatori per immagazzinare, trasportare o trasformare il gas in metanolo e aiutare per evitare sprechi di gas in tutto il mondo.

Questo nuovo complesso "osmio-metano" può legare il metano, meglio noto come gas naturale, per ore, molto più a lungo dell'attuale standard di microsecondi, consentendo alla sua analisi di creare potenziali nuovi catalizzatori per trasformare il metano.

"Abbiamo scoperto che il metano, che è generalmente inerte, interagisce con una specie centrata sull'osmio-metallo per formare un complesso relativamente stabile di osmio-metano. Il nostro complesso ha un'emivita effettiva di circa 13 ore", afferma James Watson, responsabile autore che pubblica in Nature Chemistry . "Ciò significa che occorrono 13 ore prima che metà del complesso si decomponga.

"Questa stabilità, in combinazione con la durata relativamente lunga di questo complesso, consente un'analisi approfondita della struttura, della formazione e della reattività di questa classe di complessi [osmio] e aiuta a informare la progettazione di catalizzatori che hanno il potenziale per trasformare metano in composti più sinteticamente utili."

La tecnica analitica a cui fa riferimento il Sig. Watson è la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Il campione, per essere analizzato correttamente, deve esistere per più di qualche minuto, cosa che non era fattibile con i precedenti complessi metallo-metano formati dal metano molecolare (che esisteva solo per microsecondi). Il complesso osmio-metano produce un'emivita di 13 ore molto più stabile e altri vantaggi.

"[In] questo complesso il metano è posizionato perfettamente, vicino al centro dell'osmio metallico del catalizzatore, il che ci consente di eseguire trasformazioni chimiche sul metano", afferma Watson.

Lo scopo della spettroscopia NMR è definire il complesso metallo-metano in modo che possano essere sviluppati catalizzatori per trasformare il metano in metanolo o altri prodotti.

Il metano (gas naturale) è una molecola potente sia come fonte di combustibile che come gas serra, eppure abbondanti volumi vengono bruciati in tutto il mondo non per riscaldare le case o per cucinare il cibo ma, invece, espulsi come rifiuto.

"Il metano è un sottoprodotto indesiderato della produzione di petrolio e di solito, per motivi economici, viene bruciato in un processo noto come 'flaring'", afferma il professore associato Graham Ball, coautore. "La quantità di gas bruciata in questo modo è più o meno equivalente alla domanda di gas naturale dell'America centrale e meridionale, portando a 265 milioni di tonnellate di CO₂ emissioni nel 2020."

Questi rifiuti si verificano perché il processo di conversione del metano (gas) in un combustibile pratico nel sito, come il metanolo (un liquido), storicamente, è stato economicamente impraticabile. Semplicemente non siamo stati in grado di convertirlo.

"Un modo per convertire il metano in combustibili liquidi è attraverso l'uso di catalizzatori che contengono elementi di metalli di transizione", spiega A/Prof. Palla.

"Non solo [i combustibili liquidi] sono molto più convenienti e molto più sicuri dello stoccaggio di gas, ma [entrano] anche a un costo energetico molto inferiore.

"I combustibili liquidi sono più facili da trasportare e sarebbero facilmente integrati nella nostra infrastruttura di combustibili esistente:la benzina E10 ha già il 10 percento di etanolo. Se ci fossero metodi efficienti e commercialmente fattibili per convertire il metano in metanolo, ad esempio, ciò fornirebbe anche un incentivo a trattenere il metano per la conversione ed evitare di bruciarlo senza scopo, riducendo l'uso complessivo di combustibili fossili e le emissioni dannose."

Tradurre il metano in uno stato più compatibile e pratico del "gas" offre più vantaggi.

"Forse l'uso più pertinente del metano come materia prima sarebbe il suo sequestro dall'atmosfera, che potrebbe frenare il danno duraturo che viene fatto all'ambiente e aiutare a limitare il riscaldamento globale a 1,5°C", afferma James Watson.

Trovare l'osmio

Data la principale candidatura dell'osmio per il metano legante, perché ci è voluto così tanto tempo per trovarlo? E come l'ha identificato il team?

"Prima di sintetizzare qualsiasi molecola, abbiamo utilizzato metodi computazionali per prevedere quali molecole conterrebbero sia un metallo reattivo che un" sito vuoto ", un sito che legherebbe il metano in modo più forte", afferma A/Prof. Ball.

"Ecco perché abbiamo finito per usare un metallo piuttosto esoterico, in questo caso l'osmio, con altri gruppi di atomi intorno, poiché la modellazione prevedeva che avrebbe dovuto legare bene il metano... cosa che fa.

"Il sito vuoto è generato irradiando luce UV su una soluzione di un composto di un metallo di transizione precursore che viene disciolto in un solvente idrofluorocarburico accuratamente selezionato, il tutto in presenza di metano aggiunto. La scelta del solvente è fondamentale in quanto comuni solventi da laboratorio tutti si legano preferibilmente al metano, ma l'idrofluorocarburo no."

Quindi è la combinazione di osmio e solvente (l'efficacia del solvente è stata precedentemente identificata dal Dr. Camile Holt) che è la chiave qui.

"[Mentre è] improbabile che questo esatto complesso [osmio-metano] venga sfruttato a beneficio dell'ambiente, se potessimo perfezionare ulteriormente il complesso in modo che continui a legare preferenzialmente il metano a temperature superiori a -90°C quindi potremmo essere in grado di eseguire più manipolazioni sul metano legato e infine convertire il metano in prodotti a valore aggiunto", afferma il Sig. Watson.

Secondo i ricercatori, questo complesso osmio-metano rappresenta un passo importante nella conversione del metano in altri composti.

"Ci auguriamo che la nostra scoperta informi la progettazione di catalizzatori di prossima generazione più efficienti che possano essere commercialmente validi", afferma A/Prof. Sfera. + Esplora ulteriormente

Le emissioni di metano tropicali contribuiscono notevolmente ai recenti cambiamenti nel tasso di crescita del metano atmosferico globale