Binding af metan med metal:Et nyt håb om at genbruge det potente fossile brændstof

UNSW kemikere har konstrueret en ny molekylær "skruestik" ved at inkludere det sjældne metal osmium, der kan binde metan i timevis - hvilket giver afgørende bevis for et mellemtrin, der vil informere nye katalysatorer til at opbevare, transportere eller omdanne gassen til methanol og hjælpe for at undgå spild af gas på verdensplan.

Dette nye "osmium-methan"-kompleks kan binde metan - bedre kendt som naturgas - i timer, meget længere end den nuværende standard på mikrosekunder, hvilket gør det muligt for dets analyse at skabe potentielle nye katalysatorer til at omdanne metan.

"Vi har fundet ud af, at metan, som generelt er inert, vil interagere med en osmium-metalcentreret art for at danne et relativt stabilt osmium-methan-kompleks. Vores kompleks har en effektiv halveringstid på omkring 13 timer," siger James Watson, leder forfatter udgivelse i Nature Chemistry . "Det betyder, at det tager 13 timer for halvdelen af ​​komplekset at nedbrydes.

"Denne stabilitet, sammen med den relativt lange levetid af dette kompleks, giver mulighed for dybdegående analyse af strukturen, dannelsen og reaktiviteten af ​​denne klasse af [osmium] komplekser og hjælper med at informere designet af katalysatorer, der har potentialet til at transformere metan til mere syntetisk anvendelige forbindelser."

Den analytiske teknik, Mr. Watson henviser til, er kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Prøven, for at blive korrekt analyseret, skal eksistere i mere end et par minutter - noget, der ikke var muligt med de tidligere metal-methan-komplekser dannet af molekylær metan (som kun eksisterede i mikrosekunder). Osmium-methan-komplekset producerer en langt mere stabil halveringstid på 13 timer og andre fordele.

"[I] dette kompleks er metanen placeret perfekt - tæt på katalysatorens metal-osmiumcenter - hvilket giver os mulighed for at udføre kemiske transformationer på metanen," siger Mr. Watson.

Formålet med NMR-spektroskopi er at definere metal-methan-komplekset, således at der kan udvikles katalysatorer til at omdanne metanen til methanol eller andre produkter.

Metan (naturgas) er et potent molekyle både som brændstofkilde og som drivhusgas, og alligevel forbrændes rigelige mængder af det rundt om i verden, ikke for at opvarme boliger eller tilberede mad, men i stedet udvises som affald.

"Methan er et uønsket biprodukt fra olieproduktion og bliver normalt af økonomiske årsager brændt i en proces kendt som 'flaring'," siger medforfatter lektor Graham Ball. "Mængden af ​​gas brændt på denne måde svarer nogenlunde til efterspørgslen efter naturgas i Central- og Sydamerika, hvilket fører til 265 millioner tons CO₂ emissioner i 2020."

Dette spild opstår, fordi processen med at omdanne metan (gas) til et praktisk brændstof på stedet - som methanol (en væske) - historisk set har været økonomisk urentabel. Vi har simpelthen ikke været i stand til at konvertere det.

"En måde at omdanne metan til flydende brændstoffer på er ved at bruge katalysatorer, der indeholder overgangsmetalelementer," forklarer A/Prof. Bold.

"Ikke kun [er flydende brændstoffer] langt mere bekvemme og langt sikrere end at opbevare gasser, men [kommer også ind] til meget lavere energiomkostninger.

"Flydende brændstoffer er nemmere at transportere og ville nemt kunne integreres i vores eksisterende brændstofinfrastruktur – E10-benzin har allerede 10 procent ethanol. Hvis der var effektive, kommercielt levedygtige metoder til at omdanne metan til methanol, ville dette også give et incitament til at beholde metan til omdannelse og for at undgå at brænde det uden formål, hvilket reducerer det samlede forbrug af fossilt brændstof og skader emissioner."

At oversætte metan til en tilstand, der er mere kompatibel og praktisk end "gas" giver flere fordele.

"Måske den mest relevante brug af metan som råmateriale ville være dens binding fra atmosfæren, hvilket kunne dæmme op for den varige skade, der sker på miljøet og hjælpe med at begrænse den globale opvarmning til 1,5°C," siger James Watson.

Find osmium

I betragtning af osmiums primære kandidatur til at binde metan - hvorfor tog det så lang tid at finde? Og hvordan identificerede holdet det?

"Før vi syntetiserede nogen molekyler, brugte vi beregningsmetoder til at forudsige, hvilke molekyler der ville indeholde både et reaktivt metal og et "ledigt sted", et sted, der ville binde metan stærkest," siger A/ Prof. Ball.

"Det er derfor, vi endte med at bruge et ret esoterisk metal, osmium i dette tilfælde, med andre grupper af atomer omkring det, da modelleringen forudsagde, at det skulle binde metan godt ... hvilket det gør.

"Det ledige sted genereres ved at skinne UV-lys på en opløsning af en precursor overgangsmetalforbindelse, der er opløst i et nøje udvalgt hydrofluorcarbonopløsningsmiddel, som alt sammen forekommer i nærværelse af tilsat metan. Opløsningsmiddelvalget er afgørende, da almindelige laboratorieopløsningsmidler alle binder sig frem for methan, men hydrofluorcarbonet gør det ikke."

Så det er kombinationen af ​​osmium og opløsningsmidlet (opløsningsmidlets effektivitet er tidligere blevet identificeret af Dr. Camile Holt), der er nøglen her.

"[Selvom det] er usandsynligt, at dette nøjagtige [osmium-methan]-kompleks vil blive udnyttet til gavn for miljøet, hvis vi kunne forfine komplekset yderligere, så det ville fortsætte med at foretrække at binde methan ved temperaturer højere end -90°C så kan vi muligvis udføre flere manipulationer på den bundne metan og i sidste ende konvertere metan til produkter med værditilvækst," siger Mr. Watson.

Ifølge forskerne repræsenterer dette osmium-methan-kompleks et vigtigt skridt i omdannelsen af ​​metan til andre forbindelser.

"Vi håber, at vores opdagelse vil informere om designet af næste generation af mere effektive katalysatorer, der kan være kommercielt levedygtige," siger A/Prof. Bold. + Udforsk yderligere

Tropiske metan-emissioner bidrager i høj grad til de seneste ændringer i den globale atmosfæriske metanvæksthastighed