Ученые США превратили метан в метанол с помощью «молнии в бутылке»
Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) в США успешно произвели метанол из метана с помощью плазмы, создаваемой электрическими разрядами в стеклянных трубках. Это достижение демонстрирует, что потенциал для проведения энергоемких химических реакций может быть реализован быстро и легко в плазменных пузырьковых реакторах.
Метанол — это химическое вещество с разнообразным применением. Он может сгорать чисто, не производя дыма, и использоваться в транспортных средствах, морских судах, а также в кухонных плитах. Кроме того, метанол находит более широкое применение в промышленности для производства некоторых видов пластиков и кислот, а также в качестве промышленного растворителя. Хотя метанол широко используется, его производство является энергоемким процессом, требующим температур около 760 °C и давления в 200-300 раз выше атмосферного для формирования молекул метанола. Это делает использование метанола неустойчивым в долгосрочной перспективе, побуждая ученых искать более простые и энергоэффективные способы его синтеза.
Чтобы преодолеть требование высоких температур при синтезе метанола, исследователи из Northwestern использовали электричество для создания плазменного состояния материи внутри заполненного водой реактора. Стеклянные трубки, покрытые медно-оксидными катализаторами, подают метан, необходимый для реакции. Когда внутри реактора подаются высоковольтные импульсы, газ также превращается в плазму, производя высокореактивные фрагменты, которые быстро формируют метанол. Обычные реакции синтеза метанола сталкиваются с еще одним препятствием — деградацией метанола, когда вновь образованный метанол быстро разлагается до углекислого газа. В данной установке метанол немедленно поглощается окружающей водой, тем самым останавливая реакцию и избегая этапа деградации. Чтобы дополнительно улучшить реакцию, исследователи также добавили аргон, который стабилизировал ее и предотвратил образование нежелательных побочных продуктов.
Устранение необходимости в высоких температурах и давлениях помогает снизить стоимость производства метанола. Более того, новый подход представляет собой одностадийную реакцию, что является гораздо более оптимизированным процессом и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Как отметил Дейн Свирер, доцент кафедры химии Северо-Западного университета, который совместно руководил исследованием, в ходе реакции также образовывались этилен, который является предшественником производства пластмасс, и водород, который сам по себе является важным промышленным химикатом и безуглеродным топливом. Таким образом, ученые взяли метан, который является очень распространенным газом, и превратили его в метанол вместе с этиленом, водородом и небольшим количеством пропана, и все эти продукты по своей сути являются более ценными.
Исследователи признают, что их установка все еще находится на лабораторном уровне, но в случае успешного масштабирования она могла бы помочь превратить места утечек метана в локации, где можно производить метанол. В настоящее время команда сосредоточена на оптимизации своего подхода, а также на извлечении метанола из воды и его разделении на очищенный продукт. Как объяснил Свирер в пресс-релизе, современный способ борьбы с утечками метана заключается в том, чтобы поджечь его, превратив в углекислый газ, который нагревает климат меньше, чем метан, но все равно является проблемой. Вместо этого ученые предлагают взять реактор меньшего размера на место утечки метана и превратить его в транспортабельное жидкое топливо.
Исследование в журнале Journal of the American Chemical Society.