Gotovo se revolucionarnim može nazvati postupak koji su razvili znanstvenici američkog Ministarstva energetike i partnerskih institucija. Naime, kako su naveli u znanstvenom radu objavljenom u časopisu American Chemical Society, oni su razvili postupak i izradili visoko selektivan katalizator koji može pretvoriti metan u lako prenosivo tekuće gorivo, metanol, u samo jednom koraku.
Podsjetimo, metan je prirodni plin kojeg je moguće vaditi iz podzemnih rezervi, dok je metanol metilni alkohol koji se koristi kemijskoj industriji i proizvodnji, ali i kao gorivo.
Kako pojašnjavaju u svom radu, proces pretvaranja metana u metanol odvija se na temperaturama nižima od onih koje su potrebne za napraviti šalicu čaja, a nakon završenog postupka nema dodatnih nusproizvoda.
Ističu kako je to velik korak naprijed u odnosu na tradicionalne postupke konverzije koji, obično, zahtijevaju čak tri različite reakcije, svaka pod drugačijim uvjetima i na puno višim temperaturama.
Zapravo sve ubacimo u ekspres-lonac i onda se reakcija događa spontano, ističe kemijski inženjer Juan Jimenez, postdoktorand u kemijskom odjelu Nacionalnog laboratorija u Brookhavenu i vodeći autor studije.
Zajednički rad na dva kontinenta
Osnovna znanost koja stoji iza pretvorbe temelji se na desetljeću zajedničkog istraživanja. Kemičari iz Brookhavena surađivali su sa stručnjacima u Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) i Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN) kao i istraživačima u Nacionalnom laboratoriju Ames i međunarodnim suradnicima u Italiji i Španjolskoj.
Znanstvenici su koristili računalno modeliranje i niz drugih tehnika ne bi li saznali kako ovi katalizatori rade na trganju i ponovnom stvaranju kemijskih veza za pretvaranje metana u metanol i kako bi razjasnili ulogu vode u reakciji.
Ranije studije, proveden na pojednostavljenim modelima katalizatora pod vrlo netaknutim uvjetima, dale su timu dragocjene uvide u to kako bi katalizatori trebali izgledati na molekularnoj razini i kako bi se reakcija potencijalno odvijala.
Juan je napravio te koncepte koje smo naučili o reakciji uzeo i optimizirao ih, radeći s našim kolegama iz sinteze materijala sa Sveučilišta u Udinama u Italiji, teoretičarima s Instituta za katalizu i petrokemiju i Politehničkog sveučilišta u Valenciji u Španjolska, i kolegama za karakterizaciju ovdje u Brookhavenu i Ames Labu. Ovaj novi rad potvrđuje ideje koje stoje iza ranijeg rada i prevodi sintezu katalizatora u laboratoriju u mnogo praktičniji proces za izradu količina katalitičkog praha u kilogramima koji su izravno relevantni za industrijske primjene, pojasnio je koautor studije Sanjaya Senanayake.
"Tajni sastojak"
"Tajni sastojak" ovog procesa tanki je sloj "međufaznog" ugljika između metala i oksida koji pomaže aktivnom metalu, paladiju, pretvoriti metan u metanol.
Ovo je trofazna reakcija s plinovitim, krutim i tekućim sastojcima — točnije plinom metanom, vodikovim peroksidom i vodom kao tekućinama te krutim praškastim katalizatorom — a ova tri sastojka reagiraju pod pritiskom. Dakle, morali smo izgraditi nove trofazne reaktore pod tlakom kako bismo mogli pratiti te sastojke u stvarnom vremenu, rekao je Senanayake.
Tim je izgradio jedan reaktor u Odjelu za kemiju i koristio se infracrvenom spektroskopijom za mjerenje brzina reakcije i identificiranje kemijskih vrsta koje su se pojavile na površini katalizatora kako je reakcija napredovala.
Na kraju, tim je otkrio kako aktivno stanje njihovog trokomponentnog katalizatora — napravljenog od paladija, cerijevog oksida i ugljika — iskorištava složeno trofazno mikrookruženje tekućina-krutina-plin za proizvodnju konačnog proizvoda.
U konačnici, umjesto tri odvojene reakcije u tri različita reaktora koji rade pod tri različita skupa uvjeta za proizvodnju metanola iz metana s potencijalom nusproizvoda koji zahtijevaju skupe korake odvajanja, tim ima trodijelni katalizator koji pokreće trofaznu reakciju sve u jednom reaktoru sa 100-postotnom selektivnošću za proizvodnju metanola.
Dodatni je plus ovoj tehnici što bi se mogla primijeniti i na iskorištavanje zaliha prirodnog plina u izoliranim područjima, gdje je izgradnja pogona za izvlačenje i preradu te sam transport izuzetno skup. Naime, ova bi tehnika izvađeni plin pretvorila u jednostavno tekuće gorivo koje je lako transportirati.
Mogli bismo skalirati ovu tehnologiju i primijeniti ju za lokalnu proizvodnju metanola koji se potom može koristiti za proizvodnju električne energije, kemijsku proizvodnju ili pak kao gorivo, ističe Senanayake.
