En ny multifunktionel katalysator forvandler metan til værdifulde kulbrinter

Metan, en drivhusgas, der bidrager væsentligt til den globale opvarmning, er også en vigtig energikilde og en væsentlig kemisk ressource. Når det bruges som et kemisk råmateriale, omdannes metan typisk til methanol først og derefter til kulbrinter. Denne sekventielle konvertering kræver dog komplekse industrielle opsætninger. Endnu vigtigere er det, at da metan er et meget stabilt molekyle, kræver dets omdannelse til methanol enorme mængder energi, når man bruger konventionelle metoder, såsom damp-metan-reformering.

På denne baggrund har den katalytiske omdannelse af metan til methanol eller andre kemikalier tiltrukket sig stor opmærksomhed fra forskere, som er ivrige efter at finde mere energieffektive og bæredygtige løsninger. Blandt nyligt rapporterede katalysatorer har kobber (Cu)-holdige zeolitter vist lovende for methan-til-methanol-omdannelse under milde forhold. Desværre har udbyttet og selektiviteten af ​​de fleste rapporterede katalysatorer været lavt, hvilket betyder, at store mængder af uønskede biprodukter genereres sammen med methanol.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , et forskerhold inklusive lektor Toshiyuki Yokoi fra Tokyo Institute of Technology, Japan, undersøgte en ny type bifunktionel zeolitkatalysator. Interessant nok er denne Cu-holdige, aluminosilikatbaserede zeolit ​​i stand til at omdanne metan og dinitrogenoxid, en anden drivhusgas, direkte til værdifulde forbindelser gennem en række mellemreaktioner.

Et af de centrale spørgsmål, forskerne behandlede, var, hvordan den rumlige fordeling af forskellige aktive steder i katalysatoren påvirkede outputtet af reaktionerne. Til dette formål fremstillede de flere katalysatorer ved hjælp af ikke kun forskellige koncentrationer af Cu og syresteder (proton) i vandige opløsninger, men også forskellige fysiske blandingsteknikker til faste prøver.

Gennem forskellige eksperimentelle og analytiske teknikker fandt forskerne ud af, at nærheden mellem Cu og sure steder var afgørende for at bestemme de endelige produkter. Mere specifikt rapporterede de, at når Cu-steder var i nærheden af ​​hinanden, havde methanol, der blev produceret i Cu-steder fra metan, en højere sandsynlighed for at blive overoxideret af et tilstødende Cu-sted, hvilket gjorde det til kuldioxid. I modsætning hertil, når Cu-steder og sure steder var tæt på hinanden, reagerede methanol med dinitrogenoxid på et tilstødende surt sted i stedet for at producere værdifulde kulbrinter og harmløs nitrogengas.

"Vi konkluderede, at for stabil og effektiv produktion af methanol og i sidste ende nyttige kulbrinter fra metan, er det nødvendigt at fordele Cu-steder og syresteder ensartet og have dem i passende afstand fra hinanden," forklarer Yokoi. "Vi fandt også ud af, at fordelingen af ​​de opnåede produkter også påvirkes af syreegenskaberne og porestrukturen af ​​zeolitkatalysatoren."

En af de mest bemærkelsesværdige fordele ved den foreslåede katalysator er dens evne til at opretholde tandem-reaktioner, det vil sige en simpel proces, der slår flere trin sammen i et og slipper af med to forskellige skadelige drivhusgasser samtidigt. Denne egenskab vil være nøglen til at gøre sådanne katalytiske systemer attraktive i industrielle omgivelser.

"Vores arbejde vil forhåbentlig vejlede fremtidige bestræbelser på at opnå methanoxidation til methanol og åbne muligheder for at fremme carbonhydridsyntese ved at bruge methanol som mellemprodukt," konkluderer Yokoi.

Flere oplysninger: Peipei Xiao et al., Forståelse af virkningen af ​​rumligt adskilte Cu- og syresteder i zeolitkatalysatorer på oxidation af metan, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46924-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Tokyo Institute of Technology