30 ژوئن 2022 -توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج -اعتبار: ORNL/Jill Hemman
یک تیم بین المللی از محققان به رهبری دانشمندان دانشگاه منچستر، روشی سریع و اقتصادی برای تبدیل متان یا گاز طبیعی به متانول مایع در دما و فشار محیط ابداع کرده اند. این روش تحت جریان مداوم بر روی یک ماده فوتوکاتالیستی با استفاده از نور مرئی برای هدایت تبدیل انجام می شود.
برای کمک به مشاهده نحوه عملکرد این فرآیند و انتخابی بودن آن، محققان از پراکندگی نوترون در ابزار VISION در منبع نوترون اسپلاسیون آزمایشگاه ملی Oak Ridge استفاده کردند.
این روش شامل جریان مداوم آب متان/اکسیژن اشباع شده بر روی یک کاتالیزور جدید چارچوب فلزی-آلی (MOF) است. MOF متخلخل است و شامل اجزای مختلفی است که هر کدام در جذب نور، انتقال الکترون ها و فعال کردن و گرد هم آوردن متان و اکسیژن نقش دارند. متانول مایع به راحتی از آب استخراج می شود. چنین فرآیندی معمولاً “یک جام مقدس کاتالیزور” در نظر گرفته می شود و منطقه ای برای تحقیقاتی است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. جزئیات یافته های این تیم، با عنوان فتوکسیده شدن مستقیم متان به متانول بر روی یک سایت هیدروکسیل مونو آهن در Nature Materials منتشر شده است.
متان طبیعی سوخت فراوان و ارزشمندی است که برای اجاق‌ها، کوره‌ها، آبگرمکن‌ها، کوره‌ها، اتومبیل‌ها و توربین‌ها استفاده می‌شود. با این حال، متان به دلیل دشواری استخراج، حمل و نقل و ذخیره آن می تواند خطرناک باشد.
گاز متان در صورت انتشار یا نشت در جو، جایی که یک گاز گلخانه ای قوی است، برای محیط زیست مضر است. منابع اصلی متان اتمسفر شامل تولید و استفاده از سوخت فسیلی، پوسیدگی یا سوختن زیست توده مانند آتش‌سوزی جنگل‌ها، زباله‌های کشاورزی، محل‌های دفن زباله و ذوب یخ‌های دائمی است.
متان اضافی معمولاً سوزانده یا شعله ور می شود تا اثرات زیست محیطی آن کاهش یابد. با این حال، این فرآیند احتراق دی اکسید کربن تولید می کند که خود یک گاز گلخانه ای است.
صنعت مدتهاست که به دنبال راهی مقرون به صرفه و کارآمد برای تبدیل متان به متانول بوده است، یک ماده اولیه بسیار قابل فروش و همه کاره که برای تولید انواع محصولات مصرفی و صنعتی استفاده می شود. این نه تنها به کاهش انتشار گاز متان کمک می کند، بلکه انگیزه ای اقتصادی برای انجام این کار ایجاد می کند.
متانول یک منبع کربن همه کاره تر از متان است و مایعی است که به راحتی قابل حمل است. می توان از آن برای ساخت هزاران محصول مانند حلال، ضد یخ و پلاستیک اکریلیک استفاده کرد. پارچه و الیاف مصنوعی؛ چسب، رنگ و تخته سه لا؛ و عوامل شیمیایی مورد استفاده در داروسازی و مواد شیمیایی کشاورزی. با کاهش ذخایر نفت، تبدیل متان به سوختی با ارزش مانند متانول نیز جذاب‌تر می‌شود.
شکستن پیوند
چالش اصلی تبدیل متان (CH4) به متانول (CH3OH) مشکل تضعیف یا شکستن پیوند شیمیایی کربن-هیدروژن (C-H) به منظور وارد کردن یک اتم اکسیژن (O) برای تشکیل پیوند C-OH بوده است. روش‌های متعارف تبدیل متان معمولاً شامل دو مرحله است، اصلاح بخار و سپس اکسیداسیون گاز سنتز، که انرژی بر، پرهزینه و ناکارآمد هستند زیرا به دما و فشار بالا نیاز دارند.
فرآیند سریع و مقرون به صرفه متان به متانول توسعه یافته توسط تیم تحقیقاتی از یک ماده MOF چند جزئی و نور مرئی برای انجام این تبدیل استفاده می کند. جریانی از آب اشباع CH4 و O2 در حالی که در معرض نور قرار می گیرد، از لایه ای از دانه های MOF عبور می کند. MOF شامل اجزای طراحی شده مختلفی است که در موقعیت های ثابتی در روبنای متخلخل قرار گرفته و نگهداری می شوند. آنها با هم کار می کنند تا نور را جذب کنند و الکترون تولید کنند که به اکسیژن و متان در منافذ منتقل می شود تا متانول را تشکیل دهد.
یانگ، استاد شیمی در منچستر و نویسنده مرتبط گفت: برای ساده‌تر کردن فرآیند، زمانی که گاز متان در معرض مواد کاربردی MOF حاوی مکان‌های مونو-آهن-هیدروکسیل قرار می‌گیرد، مولکول‌های اکسیژن فعال و انرژی حاصل از نور باعث فعال شدن پیوند C-H در متان برای تشکیل متانول می‌شود.» این فرآیند 100% انتخابی است – به این معنی که هیچ محصول جانبی نامطلوبی وجود ندارد – قابل مقایسه با متان مونواکسیژناز، که آنزیم در طبیعت برای این فرآیند است.
آزمایش‌ها نشان داد که کاتالیزور جامد را می‌توان جدا کرد، شست، خشک کرد و برای حداقل 10 سیکل یا تقریباً 200 ساعت زمان واکنش، بدون از دست دادن عملکرد، استفاده مجدد کرد.
فرآیند فوتوکاتالیستی جدید مشابه نحوه تبدیل گیاهان انرژی نور به انرژی شیمیایی در طول فتوسنتز است. گیاهان نور خورشید و دی اکسید کربن را از طریق برگ های خود جذب می کنند. سپس یک فرآیند فوتوکاتالیستی این عناصر را به قند، اکسیژن و بخار آب تبدیل می کند.
این فرآیند به عنوان جام مقدس کاتالیزور شناخته شده است. مارتین شرودر، معاون مدیر و رئیس دانشکده گفت: به جای سوزاندن متان، اکنون ممکن است بتوان گاز را مستقیماً به متانول تبدیل کرد، یک ماده شیمیایی با ارزش بالا که می تواند برای تولید سوخت های زیستی، حلال ها، آفت کش ها و افزودنی های سوخت برای خودروها استفاده شود. این ماده جدید MOF همچنین می‌تواند انواع دیگر واکنش‌های شیمیایی را با عمل به عنوان نوعی لوله آزمایش که در آن ما می‌توانیم مواد مختلف را ترکیب کنیم تا ببینیم چگونه واکنش می‌دهند، تسهیل کند.
استفاده از نوترون برای تصویر کردن فرآیند
یونگ کیانگ چنگ، دانشمند ابزار در اداره علوم نوترون ORNL گفت: «استفاده از پراکندگی نوترون برای گرفتن «تصاویر» در ابزار VISION در ابتدا بر هم‌کنش‌های قوی بین CH4 و مکان‌های مونو-آهن-هیدروکسیل در MOF که پیوندهای C-H را تضعیف می‌کنند، تأیید کرد.
Anibal “Timmy” Ramirez Cuesta، سرپرست گروه طیف سنجی شیمیایی در SNS گفت: VISION یک طیف سنج ارتعاشی نوترونی با توان عملیاتی بالا است که برای ارائه اطلاعات در مورد ساختار مولکولی، پیوندهای شیمیایی و برهمکنش های بین مولکولی بهینه شده است. مولکول‌های متان سیگنال‌های پراکندگی نوترونی قوی و مشخصه‌ای را از چرخش و ارتعاش خود تولید می‌کنند که به محیط محلی نیز حساس هستند.
سریع، مقرون به صرفه و قابل استفاده مجدد
با حذف نیاز به دما یا فشار بالا و استفاده از انرژی نور خورشید برای هدایت فرآیند اکسیداسیون عکس، روش تبدیل جدید می‌تواند هزینه‌های تجهیزات و عملیاتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. سرعت بالاتر فرآیند و توانایی آن در تبدیل متان به متانول بدون هیچ محصول جانبی نامطلوب، توسعه پردازش درون خطی را تسهیل می کند که هزینه ها را به حداقل می رساند.
