Překvapivý objev: Běžný minerál mění metan na cenné kapalné chemikálie a palivo

Vědci z americké Národní laboratoře Brookhaven (DOE) a jejich spolupracovníci představili slibný nový přístup k přeměně metanu, hlavní složky zemního plynu, na kapalné chemikálie. Tyto chemikálie jsou prekurzory pro mnoho průmyslových procesů a paliv.

Vědci z americké Národní laboratoře Brookhaven (DOE) a jejich spolupracovníci představili slibný nový přístup k přeměně metanu, hlavní složky zemního plynu, na kapalné chemikálie. Tyto chemikálie jsou prekurzory pro mnoho průmyslových procesů a paliv. Výzkum, publikovaný v časopise Advanced Functional Materials, ukazuje, jak lze sulfid molybdeničitý (MoS2), hojně dostupný průmyslový katalyzátor, s minimálními úpravami selektivně přeměnit metan na methylperoxid a další kapalné okysličené sloučeniny při teplotách pod 100 °C. Methylperoxid je prekurzorem pro výrobu metanolu, energeticky bohatého kapalného paliva, které lze snadno přepravovat.

Skutečnost, že tento katalyzátor je z hojně dostupného materiálu, by mohla zásadně změnit hru v oblasti přeměny zemního plynu na kapalné chemikálie. Katalyzátor dosahuje velmi vysokých výtěžků a vysoké specifičnosti pro výrobu důležitých prekurzorů metanolu a široké škály dalších průmyslových procesů. Sulfid molybdeničitý je obzvláště zajímavý díky obsahu síry, která mu propůjčuje odolnost vůči vysokým hladinám síry, často se vyskytujícím v surovém zemním plynu. Tyto hladiny síry mohou otravovat tradiční katalyzátory pro přeměnu metanu. Vědci vyvíjejí široké portfolio různých materiálů, které dokážou zpracovat celou škálu složení zemního plynu, jež se nachází v USA i po celém světě.

Tato práce řeší dlouhodobou výzvu v energetické vědě: jak efektivně přeměnit metan na transportovatelné kapalné produkty. Ačkoli je metan hojný a energeticky bohatý, je obtížné a nákladné jej využívat bez přístupu k rozsáhlé infrastruktuře. V důsledku toho je metan produkovaný na vzdálených nalezištích ropy a plynu často vypouštěn nebo spalován, aby se zmírnila rizika. Efektivní proces přeměny tohoto metanu na snadno přepravitelnou kapalinu by umožnil tento zdroj využít. Katalyzátor tak dokáže využít to, co je v podstatě odpad nebo nepoužitelný materiál, a učinit jej použitelným.

Reakce se zdá překvapivě jednoduchá. V kombinaci s metanem a zředěným peroxidem vodíku ve vodě při 75 °C přeměnil katalyzátor MoS2 metan na kapalné okysličené sloučeniny s kompletní selektivitou k požadované rodině produktů. Jeho aktivita je srovnatelná, a v některých případech dokonce překonává, aktivitu dražších katalyzátorů pro přeměnu metanu vyrobených z drahých kovů, jako je palladium nebo rhodium. Vědci použili rentgenovou spektroskopii na zařízení NSLS-II, aby v reálném čase sledovali dění v katalyzátoru. Klíčovým objevem byla důležitá role peroxidu vodíku (H2O2). Původně se předpokládalo, že peroxid funguje pouze jako oxidant. Pomocí pokročilých technik, jako je elektronová paramagnetická rezonance, však vědci zjistili, že klíčovým meziproduktem, který řídí chemii, jsou hydroxylové radikály, reaktivní skupiny -OH, které vznikají při přirozeném rozkladu peroxidu. Katalyzátor MoS2 funguje jako silný antioxidant, který generuje a zachycuje OH radikály a nutí je reagovat s nejbližší molekulou, což je v této reakci metan (CH4). Radikály tak nejen dodávají kyslík, ale také poskytují reaktivní elektrony, které pomáhají aktivovat metan a rozštěpit silné vazby uhlík-vodík.