17:21 2022-06-27
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Perspectivele de reacție ajută la crearea de combustibili lichizi durabili
_ Informațiile despre reacție ajută la combustibili lichizi durabili
Metanolul, produs din dioxidul de carbon din aer, poate fi folosit pentru a produce combustibili neutri din carbon. Dar pentru a face acest lucru, mecanismul prin care metanolul este transformat în hidrocarburi lichide trebuie să fie mai bine înțeles, astfel încât procesul catalitic să poată fi optimizat. Acum, folosind tehnici analitice sofisticate, cercetătorii de la ETH Zürich și de la Institutul Paul Scherrer au dobândit o perspectivă fără precedent asupra acestui mecanism complex.
În timp ce ne străduim să jonglam cu impactul emisiilor cu dorința noastră de a ne menține stilul de viață înfometat de energie, utilizarea dioxidului de carbon din atmosferă pentru a crea noi combustibili este o alternativă interesantă, neutră din carbon. O modalitate de a face acest lucru este de a crea metanol din dioxidul de carbon din aer, folosind un proces numit hidrogenare. Acest metanol poate fi apoi transformat în hidrocarburi. Deși acestea sunt apoi arse, eliberând dioxid de carbon, acesta este echilibrat de dioxidul de carbon captat pentru a face combustibilul.
Pentru a dezvolta pe deplin acest combustibil durabil, o înțelegere mai profundă a mecanismului prin care metanolul - într-o reacție catalizată de zeoliți, materiale solide cu arhitecturi poroase unice — este transformată în hidrocarburi cu lanț lung, este necesară. Având în vedere acest lucru, în cadrul NCCR Catalysis, un Centru național elvețian de competență în cercetare, cercetătorii de la ETH Zürich și-au unit forțele cu cercetătorii de la Paul Scherrer Institut PSI pentru a dezvălui detaliile acestui mecanism de reacție, ale cărui constatări sunt publicate. în revista Nature Catalysis.
„Informația este cheia pentru dezvoltarea catalizatorilor mai selectivi și mai stabili”, explică Javier Pérez-Ramírez, profesor de inginerie cataliză la ETH Zürich și director al NCCR Catalysis, care a coordonat studiu. „Înainte de studiul nostru, în ciuda multor eforturi, aspectele mecanice cheie ale transformării complexe a metanolului în hidrocarburi nu erau bine înțelese.”
Cercetătorii au fost interesați să compare procesul de metanol cu hidrocarburi cu un alt proces: că de transformare a clorurii de metil în hidrocarburi. Rafinăriile de petrol ard frecvent cantități mari de gaz natural nedorit bogat în metan. Această activitate poluantă și risipitoare are ca rezultat exploziile tipice asociate cu rafinăriile de petrol. „Transformarea clorurii de metil în hidrocarburi este un fel de tehnologie de punte”, explică Pérez-Ramírez. „Desigur, ne-am dori să ne îndepărtăm de combustibilii fosili, dar între timp aceasta ar fi o modalitate de a evita irosirea vastelor rezerve de metan valoros.”
Moleculele fugace în fază gazoasă spun povestea
Cheia pentru înțelegerea mecanismelor de reacție complexe, cum ar fi acestea, este detectarea diferitelor specii implicate, inclusiv a produselor intermediare. Tehnicile tradiționale privesc direct suprafața catalizatorului pentru a înțelege reacția, dar o parte importantă a poveștii este spusă de moleculele în fază gazoasă, care se desprind de pe catalizator.
„Aceste molecule sunt adesea foarte reactive și durată foarte scurtă, se descompune în câteva milisecunde. Acest lucru face ca identificarea lor să fie o adevărată provocare, deoarece metodele tradiționale de analiză în fază gazoasă sunt pur și simplu prea lente", explică Patrick Hemberger, om de știință la linia de lumină ultravioletă în vid (VUV) a sursei de lumină elvețiană SLS. , ale căror tehnici analitice sofisticate le-ar permite cercetătorilor să studieze reacția așa cum s-a întâmplat.
La linia de lumina VUV, spectroscopia Photoion Photoelectron Coincidență (PEPICO) a fost recent stabilită ca un instrument analitic puternic în reacțiile catalitice. Combină două tehnici analitice diferite, spectroscopie fotoelectronică și spectrometrie de masă, pentru a oferi informații detaliate despre intermediarii de reacție în fază gazoasă, permițând chiar diferențierea între izomeri.
„Deoarece adunăm simultan două tipuri diferite de informații, putem identifica rapid aceste specii trecătoare chiar și într-un amestec care conține până la o sută de intermediari de reacție și produse. Acest lucru ne oferă o perspectivă fără precedent care pur și simplu nu este posibil cu metode convenționale”, spune Hemberger.
Căile de reacție au dezvăluit
Spectroscopia le-a permis cercetătorilor să dezvăluie modul în care se formează legăturile carbon-carbon și cum crește lanțul de hidrocarburi prin detectarea a numeroase produse intermediare . Pentru cele două procese - metanol în hidrocarbură și clorură de metil în hidrocarbură - cercetătorii au observat că au avut loc diferiți intermediari de reacție. Din aceasta, au putut identifica două căi de reacție distincte, una condusă de radicali metil, prezenți în ambele reacții, și alta condusă de specii oxigenate, așa-numitele cetene, care au apărut doar în reacția metanol la hidrocarbură.
Cercetătorii au putut înțelege și o caracteristică interesantă a reacțiilor: după câteva zile, catalizatorul a fost dezactivat și reacția a fost oprită. Acest lucru s-a datorat formării unui produs secundar nedorit - cocs, care este făcut din hidrocarburi aromatice mari depuse în timpul reacției.
Cu ajutorul unei alte tehnici spectroscopice, spectroscopia de rezonanță paramagnetică electronică, cercetătorii au văzut că producția de clorură de metil în hidrocarburi era mult mai predispusă la formarea de cocs decât producția din metanol. Înarmat cu cunoștințele despre căile de reacție, motivul acestei diferențe a fost clar: „Calea metanol la hidrocarburi se desfășoară pe două căi de reacție, în timp ce ruta clorură de metil la hidrocarbură poate lua doar calea radicalului metil mai reactiv, care este mai predispus la formând cocs”, explică Gunnar Jeschke, a cărei echipă de la ETH Zürich a efectuat studiile de spectroscopie de rezonanță paramagnetică electronică.
Înțelegerea mecanismului de optimizare a procesului
Perspectiva obținută prin acest studiu este esențială pentru dezvoltarea viitoare a combustibililor lichizi într-o manieră durabilă. Aceasta ar putea include găsirea de modalități de a îmbunătăți calea condusă de oxigen, suprimând astfel formarea de cocs.
„Acum avem o înțelegere mai profundă a mecanismului de reacție a metanolului la hidrocarburi sau a clorurii de metil la hidrocarburi și cu aceste cunoștințe. putem optimiza procesul industrial într-un mod țintit pentru a-l face mai eficient”, adaugă Hemberger.
Comentarii:
Adauga Comentariu