En radikal løsning kommer fra at blande værktøjer

Den smeltede overflade af et natriumbaseret materiale kunne hjælpe med den direkte omdannelse af metan til nyttige byggesten.

For at naturgas effektivt kan omdannes til nyttige industriprodukter, kræver det den rigtige katalytiske proces. Forskere fra KAUST og USA kombinerer state-of-the-art teknikker til materialekarakterisering for at demonstrere en unik reaktionsvej, der viser, at smeltede katalysatorer baseret på natrium kan give alle de kemiske arter, der kræves for at optimere processen.

Frie radikaler, molekyler med en uparret valenselektron, såsom hydroxylgruppen, spiller en afgørende rolle i den industrielt vigtige omdannelse af naturgas, primært metan, til ethylen:en vital organisk forbindelse, der danner byggestenene i mange råvarer og polymerer. For at forbedre denne proces, kendt som oxidativ kobling, det er afgørende at udvikle selektive katalysatorer.

KAUST-teamet – ledet af Kazuhiro Takanabe og hans elev Abdulaziz Khan – brugte in situ værktøjer til at måle tilstanden af ​​en katalysator under reaktionsbetingelser. De opdagede, at den aktive art i den katalytiske reaktion, der kommer ud på den smeltede overflade af natriumwolframat, et kemikalie nødvendigt for reaktionen, er natriumperoxid. Denne katalysator er unik ved, at i stedet for at aktivere metan direkte, det aktiverer først vand og danner derefter gasformige hydroxylradikaler.

Oxidativ kobling af metan omdanner metan og oxygen til ethylen i en enkelt reaktor. Tidligere forskning i Takanabes laboratorium havde vist, at ved at bruge natriumwolframat ved temperaturer over 700 °C, tilstedeværelsen af ​​vand kan både øge hastigheden af ​​methanomdannelse og øge produktselektiviteten. Dette kan potentielt ske via dannelsen af ​​hydroxylradikaler og natriumperoxid, men der var ingen direkte beviser for tilstedeværelsen af ​​disse arter.

Nu, Takanabe og hans medforfattere giver direkte beviser for dannelsen af ​​disse frie radikaler på den smeltede overflade af natriumwolframat. De kombinerer en bred vifte af eksperimentelle teknikker, inklusive røntgendiffraktion, scanning transmission elektronmikroskopi, laser-induceret fluorescensspektrometri og røntgenfotoelektronspektroskopi, at observere et ydre lag af smeltet natriumwolframat, der er rigt på natriumhydroxid. "Vi identificerede udelukkende katalysatorens aktive fase i en unik tilstand under reaktionsbetingelser, " forklarer Takanabe.

Dette bekræfter igen, at en natriumbaseret katalysator kan danne hydroxylradikaler ud fra en blanding af oxygen og vand, en reaktion, der aldrig er set. "Denne katalysator og den unikke reaktionsvej har et stort potentiale for brug i forskellige katalytiske reaktioner til naturgaskonvertering, petroleumsraffinaderi og forbrændingsreaktioner, " siger Takanabe.

Mere bredt, denne succes viser også vigtigheden af ​​at kombinere in situspektroskopiske og mikroskopiske teknikker for bedre at forstå højtemperaturgasfasekemi.