Metanın Işık Kullanılarak Metanole Dönüştürülmesi
Bilim insanları “Katalizin Kutsal Kasesi”ni keşfetti…
Uluslararası bir araştırma grubu, genellikle doğal gaz olarak adlandırılan metanı ortam sıcaklığında ve basıncında sıvı metanole dönüştürmek için hızlı ve ekonomik bir yöntem geliştirdi. Bu yaklaşımla, fotokatalitik malzeme boyunca sürekli bir akışta dönüşümü sağlamak için görünür ışık kullanıldı. Araştırma, Manchester Üniversitesi’ndeki bilim insanları tarafından yönetildi. Sürecin nasıl çalıştığını ve ne kadar seçici olduğunu gözlemlemeye yardımcı olmak için araştırmacılar, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın Spallation Neutron Source’daki VISION cihazında nötron saçılışını kullandılar.
Yöntem, yeni bir metal-organik çerçeve (MOF/Metal-Organic Framework) katalizörü üzerinde sürekli bir metan/oksijenle doymuş su akışını içerir. MOF gözeneklidir ve her biri ışığı emmede, elektronları aktarmada ve metan ve oksijeni aktive etmede ve bir araya getirmede rol oynayan farklı bileşenler içerir. Sıvı metanol sudan kolayca çıkarılır. Böyle bir süreç genellikle “kutsal bir katalizör kasesi” olarak kabul edilir ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenen araştırmaların odak noktasıdır.
Doğal olarak oluşan metan, set üstü ocaklar, fırınlar, su ısıtıcıları, otomobiller ve türbinler için kullanılan bol ve değerli bir yakıttır. Bununla birlikte metan yanıcı ve yakıcıdır ve ayrıca çıkarılması, taşınması ve depolanması zorluğu nedeniyle tehlikelidir.
Metan gazı aynı zamanda güçlü bir sera gazıdır ve atmosfere salındığında veya sızdığında çevreye zarar verir. Atmosferik metanın önde gelen kaynakları arasında fosil yakıt üretimi ve kullanımı, orman yangınları, tarımsal atık ürünler, çöplükler ve eriyen permafrost gibi çürüyen veya yanan biyokütle yer alır.
Aşırı metan, çevresel etkisini azaltmak için genellikle yakılır veya alevlenir. Bununla birlikte, bu yanma işlemi yine de kendisi bir sera gazı olan karbon dioksit üretir.
Endüstri, metanı çeşitli tüketici ve endüstriyel ürünler yapmak için kullanılan, oldukça pazarlanabilir ve çok yönlü bir hammadde olan metanole dönüştürmek için uzun süredir ekonomik ve verimli bir yol arıyor. Bu sadece metan emisyonlarını azaltmaya yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda bunu yapmak için ekonomik bir teşvik de sağlayacaktır.
Metanol, metandan daha çok yönlü bir karbon kaynağıdır ve kolayca taşınabilir bir sıvıdır. Solvent, antifriz ve akrilik plastik gibi binlerce ürünü yapmak için kullanılabilir; sentetik kumaşlar ve lifler; yapıştırıcılar, boya ve kontrplak; ve farmasötik ve zirai kimyasallarda kullanılan kimyasal maddeler. Metanın metanol gibi yüksek değerli bir yakıta dönüştürülmesi de dünya çapındaki petrol rezervleri azaldıkça daha çekici hale geliyor.
Bağı Kırmak
Metanın (CH4) metanole (CH3OH) dönüştürülmesinin birincil zorluğu, bir C-OH bağı oluşturmak üzere bir oksijen (O) atomu eklemek için karbon-hidrojen (C-H) kimyasal bağını zayıflatmanın veya kırmanın zorluğu olmuştur. Konvansiyonel metan dönüştürme yöntemleri tipik olarak iki aşamayı içerir: buhar reformasyonu ve ardından sentez gazı oksidasyonu, enerji yoğun, maliyetli ve yüksek sıcaklıklar ve basınçlar gerektirdiğinden verimsizdir.
Araştırma ekibi tarafından geliştirilen hızlı ve ekonomik metan-metanol işlemi, dönüşümü sağlamak için çok bileşenli bir MOF malzemesi ve görünür ışık kullanır. Bir CH4 ve O2 doymuş su akışı, ışığa maruz bırakılırken MOF granüllerinin bir tabakasından geçirilir. MOF, gözenekli üst yapı içinde sabit konumlarda bulunan ve tutulan farklı tasarlanmış bileşenler içerir. Metanol oluşturmak üzere gözenekler içinde oksijen ve metana geçirilen elektronları üretmek için ışığı emmek için birlikte çalışırlar.
Sihai, “Metan gazı, mono-demir-hidroksil bölgeleri içeren fonksiyonel MOF malzemesine maruz kaldığında, süreci büyük ölçüde basitleştirmek için, aktive edilmiş oksijen molekülleri ve ışıktan gelen enerji, metan içindeki CH bağının aktivasyonunu teşvik ederek metanol oluşturur” dedi.
Yang, “İşlem %100 seçicidir; yani istenmeyen bir yan ürün yoktur ve doğada bu işlem için enzim olan metan monooksijenaz ile karşılaştırılabilir.” dedi.
Deneyler, katı katalizörün herhangi bir performans kaybı olmaksızın izole edilebileceğini, yıkanabileceğini, kurutulabileceğini ve en az 10 döngü veya yaklaşık 200 saatlik reaksiyon süresi boyunca yeniden kullanılabileceğini gösterdi.
Yeni fotokatalitik süreç, bitkilerin fotosentez sırasında ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmesine benzer. Bitkiler yaprakları aracılığıyla güneş ışığını ve karbondioksiti emer. Bir fotokatalitik süreç daha sonra bu elementleri şekerlere, oksijene ve su buharına dönüştürür.
“Bu sürece ‘katalizin kutsal kasesi’ adı verildi. Metan yakmak yerine, gazı doğrudan biyoyakıtlar, çözücüler, böcek ilaçları ve biyoyakıtlar üretmek için kullanılabilecek yüksek değerli bir kimyasal olan metanole dönüştürmek artık mümkün olabilir. Manchester’da bilim ve mühendislik fakültesi başkan yardımcısı ve dekanı ve ilgili yazar Martin Schröder, “Bu yeni MOF malzemesi, nasıl tepki verdiklerini görmek için farklı maddeleri birleştirebileceğimiz bir tür test tüpü görevi görerek diğer kimyasal reaksiyon türlerini de kolaylaştırabilir.” dedi.
Süreci resmetmek için nötronları kullanma
ORNL Nötron Bilimleri Müdürlüğü cihaz bilimcisi Yongqiang Cheng, “VISION cihazında ‘fotoğraf’ çekmek için nötron saçılımını kullanmak, başlangıçta CH4 ile MOF’taki mono-demir-hidroksil bölgeleri arasındaki güçlü etkileşimleri doğruladı ve bu da CH bağlarını zayıflattı” dedi.
SNS’de Kimyasal Spektroskopi Grubunu yöneten Anibal “Timmy” Ramirez Cuesta, “VISION, moleküler yapı, kimyasal bağlar ve moleküller arası etkileşimler hakkında bilgi sağlamak için optimize edilmiş yüksek verimli bir nötron titreşim spektrometresidir” dedi. “Metan molekülleri, dönme ve titreşimlerinden, aynı zamanda yerel çevreye de duyarlı olan güçlü ve karakteristik nötron saçılma sinyalleri üretir. Bu, gelişmiş nötron spektroskopisi teknikleriyle CH4 ve MOF arasındaki bağı zayıflatan etkileşimleri açık bir şekilde ortaya çıkarmamızı sağlıyor.”
Hızlı, ekonomik ve yeniden kullanılabilir
Yeni dönüştürme yöntemi, yüksek sıcaklık veya basınç ihtiyacını ortadan kaldırarak ve foto oksidasyon sürecini yürütmek için güneş ışığından gelen enerjiyi kullanarak, ekipman ve işletme maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir. İşlemin daha yüksek hızı ve istenmeyen yan ürünler olmadan metanı metanole dönüştürme yeteneği, maliyetleri en aza indiren hat içi işlemenin geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.
Kaynak:
