Le gaz naturel, composé principalement de méthane, a une densité énergétique relativement faible dans les conditions ambiantes. L’oxydation partielle du méthane en méthanol augmente la densité énergétique et stimule la production de nombreux produits chimiques. Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de Université de Manchestera développé une méthode rapide et économique pour convertir le méthane ou le gaz naturel en méthanol liquide à température et pression ambiantes.
Les scientifiques ont utilisé la lumière visible pour conduire la conversion sous un flux continu sur le matériau photocatalytique. En utilisant la diffusion des neutrons de l’instrument VISION, ils ont observé le fonctionnement du processus et sa sélectivité.
Cette méthode implique un flux continu d’eau saturée en méthane/oxygène sur un nouveau catalyseur MOF. Divers composants du MOF jouent un rôle dans l’absorption lampeTransfert, activation et assemblage d’électrons méthane et l’oxygène. Le méthanol liquide est facilement extrait de l’eau. Ce procédé est généralement considéré comme le « Saint Graal de la catalyse ».
La difficulté d’affaiblir ou de rompre les liaisons chimiques entre le carbone et l’hydrogène (CH) pour inclure des atomes d’oxygène (O) formant des liaisons C-OH est le principal obstacle à la conversion du méthane (CH4) en méthanol (CH3OH). Le reformage à la vapeur et l’oxydation du gaz de synthèse sont généralement deux étapes conventionnelles processus de conversion du méthanequi nécessitent des températures et des pressions élevées et sont énergivores, coûteuses et inefficaces.
Ce nouveau procédé est rapide et économique. Il utilise des MOF multi-composants et de la lumière visible pour piloter le processus de conversion. Lorsqu’elle est exposée à la lumière, une couche de grains de MOF est passée à travers un courant d’eau saturé de méthane et d’oxygène. Le cadre métallo-organique se compose de divers éléments conçus qui sont logés de manière stable dans une superstructure poreuse. Ensemble, ils absorbent la lumière pour former des électrons, qui sont ensuite transférés à l’oxygène et au méthane dans les pores pour former du méthanol.
Sihai Yang, professeur de chimie à Manchester et auteur correspondant, a déclaré : Pour simplifier considérablement le processus lorsque le méthane est exposé à un MOF fonctionnel contenant des sites monohydroxy de fer, les molécules d’oxygène activé et l’énergie de la lumière activent les liaisons CH du méthane pour former du méthanol.Ce processus est 100% sélectif – ce qui signifie qu’il n’y a pas de sous-produits indésirables – il peut être comparé à la méthane monooxygénase, qui est l’enzyme naturelle de ce processus.
Les investigations ne montrent aucune perte de performance lorsque le catalyseur solide est isolé, nettoyé, séché et réutilisé pendant au moins dix cycles, soit environ 200 heures de temps de réaction.
La nouvelle méthode photocatalytique peut être comparée à la façon dont les plantes utilisent la photosynthèse pour convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique. A travers ses feuilles, la plante prend gaz carbonique et du soleil. Ces substances sont ensuite transformées en sucre, en oxygène et en vapeur d’eau par photocatalyse.
Martin Schroeder, vice-président et doyen de la School of Science and Engineering de Manchester et auteur apparenté, a déclaré : Ce processus a été appelé le «Saint Graal de la catalyse». Au lieu de brûler du méthane, il est possible de convertir le gaz directement en méthanol. Ces produits chimiques de grande valeur peuvent être utilisés pour produire des biocarburants, des solvants, des pesticides et des additifs de carburant pour les véhicules. Ce nouveau matériau MOF peut également faciliter d’autres types de réactions chimiques en servant comme une sorte de tube à essai où nous pouvons combiner différents matériaux pour voir comment ils réagissent. “
Yongqiang Cheng, scientifique en instrumentation à la Direction de la science neutronique de l’ORNL, a déclaré : “L’utilisation de la diffusion des neutrons pour capturer “l’image” avec l’instrument VISION a initialement confirmé une forte interaction entre le CH4 et le site monomère fer-hydroxyle dans le MOF qui affaiblit la liaison CH.”
Anibal “Timi” Ramirez Cuesta, qui dirige le groupe de spectroscopie chimique au SNS, Il a ditDan VISION est un spectrophotomètre à neutrons à haut débit qui a été optimisé pour fournir des informations sur la structure moléculaire, les liaisons chimiques et les interactions intermoléculaires. La molécule de méthane produit un signal de diffusion de neutrons fort et caractéristique à partir de son spin et de ses vibrations, qui est également sensible au environnement. Cela nous a permis de détecter clairement les interactions d’affaiblissement des liaisons entre CH4 et MOF à l’aide de techniques avancées de spectroscopie neutronique.”
La nouvelle méthode de conversion peut réduire considérablement les coûts d’équipement et d’exploitation en éliminant le besoin de températures ou de pressions élevées et en utilisant l’énergie de la lumière du soleil pour piloter le processus de photo-oxydation. La vitesse de traitement élevée et la capacité de convertir le méthane en méthanol sans sous-produits indésirables faciliteront le développement d’un traitement direct rentable.
Référence de la revue :
- An, B., Li, Z., Wang, Z. et al. Photooxydation directe du méthane en méthanol via les sites de fer monohydroxy. jointoyer. pluie. (2022). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41563-022-01279-1
