Ключ к следующей энергетической революции?

Природный газ хорош для отопления наших домов, но он не так хорош для заправки наших автомобилей - по крайней мере, пока. Исследователи в Соединенных Штатах обнаружили новый и более эффективный метод преобразования основных компонентов природного газа в жидкости, которые могут быть далее переработаны в обычные химические вещества или топливо. Эта работа открывает двери для замены нефти обильным природным газом и сокращения выбросов углерода и зависимости общества от нефти в процессе.

За последние несколько лет Соединенные Штаты и другие страны претерпели энергетическую революцию, поскольку новые технологии бурения и процесс, называемый гидравлическим разрывом пласта, позволили извлечь огромные количества природного газа. Сегодня большая часть этого газа сжигается либо для отопления домов, либо для привода генерирующих электроэнергию турбин. Но у химических компаний уже давно есть технология для преобразования первичных углеводородов в природном газе - метана, этана и пропана - в спирты, жидкие исходные материалы для пластмасс, топлива и других товаров, производимых нагрузкой на поезд. Однако эта технология никогда не применялась в широких масштабах, потому что она требует сложных и дорогих химических установок, которые должны работать при температуре выше 800 ° C, чтобы осуществить преобразование. Переработка нефти в эти товары всегда была дешевле, поэтому мы стали так зависимы от нефти.

Два десятилетия назад Рой Периана, химик из Научно-исследовательского института Скриппса в Юпитере, Флорида, начал искать металлические катализаторы, которые могли бы преобразовывать природный газ в спирты при более низких температурах. Он знал, что ему нужно найти металлы, способные разрушить углерод-водородные связи, которые лежат в основе метана, этана и пропана, короткие углеводороды, известные как алканы, а затем добавить атомы кислорода, которые превратят алканы в спирты. Но все катализаторы, которые он обнаружил, включая платину, родий и иридий, редки и дороги, а методика никогда не была коммерциализирована.

Периана говорит, что в то время он не ценил то, что для того, чтобы стать хорошим катализатором, металлы должны выполнять другую работу в дополнение к превращению связей СН в связи СО. Это потому, что в реакторе эти катализаторы окружены молекулами растворителя. Таким образом, прежде чем металл сможет разорвать связь алкана, алкан должен сначала оттолкнуть молекулу растворителя в сторону. Оказывается, что дорогие металлы, которые использовала Периана, не настолько хороши в этой части процесса: им требуется дополнительная энергия, чтобы вытолкнуть молекулы растворителя из своей среды. Команда Перианы поняла, что другая электронная структура более распространенных металлов «основной группы» означает, что им не придется платить эту энергетическую цену, и, следовательно, они могли бы более эффективно осуществлять преобразование CH в CO.

Периана говорит, что это сработало лучше, чем он ожидал. Когда он и его коллеги из Университета Скриппса и Бригама Янга провели метановую реакцию с металлическими алканами таллия - основной группы, они отодвинули молекулы растворителя на 22 порядка быстрее, чем когда реакция проходила с иридием, что привело к снижению общего Они потребляют около трети энергии, сообщают они сегодня в журнале Science . Успех принес и другие выгоды. Реакция протекает при температуре 180 ° C и работает на всех алканах одновременно, в отличие от обычной технологии конверсии природного газа, которая одновременно работает только с одним видом алкана. Это может значительно упростить и, следовательно, снизить стоимость строительства химических заводов для преобразования природного газа в жидкости с использованием нового подхода.

«Это очень новая работа, которая открывает путь для превращения природного газа в полезные химические вещества с использованием простых материалов и умеренных условий», - говорит Роберт Крэбтри, химик из Йельского университета. Но этот путь еще не совсем понятен, предупреждает Периана. На данный момент химия работает по одной партии за раз. Чтобы добиться успеха в качестве промышленной технологии, исследователи должны выработать условия, чтобы заставить ее работать на постоянной основе, говорит он. Если они это сделают, это может однажды сделать дешевле получать товарные химикаты и топливо из природного газа, чем из нефти. И это действительно энергетическая революция.