L’idrocarburo metano è molto abbondante sulla Terra, ma è ormai noto che il suo rilascio contribuisce agli aumenti di temperatura e ai cambiamenti climatici. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno cercato di ideare metodi affidabili per convertire direttamente il metano in altri combustibili e sostanze chimiche con preziose applicazioni nel mondo reale.
Queste strategie includono metodi basati su catalizzatori per indurre l'accoppiamento ossidativo del metano con sostanze contenenti il carbonio biatomico del gas verde (C2 ). Questa reazione, tuttavia, richiede tipicamente condizioni ambientali estreme e impegnative, a causa delle caratteristiche sfavorevoli dei termocatalizzatori finora introdotti.
I ricercatori dell'University College di Londra, Università di Liverpool, hanno recentemente sviluppato un nuovo fotocatalizzatore che potrebbe far avanzare l'accoppiamento ossidativo del metano. Questo fotocatalizzatore, introdotto in Nature Energy , è a base di biossido di titanio (TiO2 ) caricato con nanocluster di oro (Au).
"L'accoppiamento ossidativo fotocatalitico del metano (OCM) produce C2 molecole che possono essere utilizzate come elementi costitutivi per la sintesi di combustibili e sostanze chimiche", hanno scritto Xiyi Li, Chao Li e i loro colleghi nell'articolo. "Tuttavia, il tasso di rendimento e la selettività del C2 i prodotti sono ancora moderati a causa della natura stabile delle molecole di metano."
Utilizzando un metodo di sputtering rapido, i ricercatori sono stati in grado di caricare in modo omogeneo nanocluster di Au su TiO2 , producendo il loro nuovo promettente fotocatalizzatore. Nei test iniziali, un campione ottimizzato del loro fotocatalizzatore sembrava funzionare molto bene, convertendo il metano in C2 ad un ritmo elevato e senza richiedere condizioni di reazione particolarmente severe.
"Sviluppiamo un TiO2 caricato con nanocluster di Au fotocatalizzatore mediante un approccio sputtering, ottenendo un tasso di conversione del metano elevato di 1,1 mmol h −1 , C2 selettività di circa il 90% ed efficienza quantica apparente di 10,3 ± 0,6%," hanno spiegato Xiyi Li, Chao Li e i loro colleghi nello studio.
"Il Do2 alto /C2+ il tasso di resa è dello stesso ordine di grandezza dei catalizzatori termici di riferimento nei processi OCM operati ad alta temperatura (>680 °C). È stato dimostrato che le nanoparticelle di Au prolungano il TiO2 la durata dei fotoelettroni di un fattore 66 per O2 riduzione, insieme all'Au che agisce come accettore di lacune e centro catalitico per promuovere l'adsorbimento di metano, l'attivazione di C–H e l'accoppiamento C–C," hanno continuato.
Nel complesso, questo studio dimostra i vantaggi dell'utilizzo di catalizzatori basati su vari componenti con diverse funzioni e caratteristiche per consentire l'accoppiamento ossidativo del metano. Il fotocatalizzatore proposto, Au60s/TiO2 , si è scoperto che supera le prestazioni di molti catalizzatori precedentemente riportati che possono innescare questa reazione, in termini di stabilità, tasso di conversione del metano e resa di C2 .
In particolare, il fotocatalizzatore del team è anche facile da fabbricare, il che potrebbe facilitarne la produzione e l'implementazione su larga scala. Ulteriori studi potrebbero presto aiutare a convalidare le prestazioni del nuovo Au60/TiO2 fotocatalizzatore e valutarne l'applicabilità in contesti reali.
In futuro, questo studio potrebbe anche aprire la strada alla fabbricazione di altri promettenti fotocatalizzatori multimateriale per la conversione affidabile e diretta del metano. Collettivamente, questi sforzi potrebbero favorire l'utilizzo prezioso delle abbondanti riserve di metano sulla Terra.
Ulteriori informazioni: Xiyi Li et al, Astrazione efficiente del foro per l'accoppiamento ossidativo altamente selettivo del metano mediante TiO2 spruzzato con Au fotocatalizzatori, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01317-5
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