آب کلیدی است در تبدیل کاتالیستی متان به متانول

دانشمندان در دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی بروکهیون و همکاران نشان داد جزئیات جدید که توضیح دهد که چگونه یک بسیار گزینشی کاتالیزور تبدیل متان جزء اصلی گاز طبیعی به متانول آسان به حمل و نقل سوخت مایع و مواد خام برای ساخت پلاستیک و رنگ و سایر کالا و محصولات است. این یافته ها می تواند کمک طراحی و حتی بیشتر کارآمد/انتخابی کاتالیزور را به متان تبدیل یک از لحاظ اقتصادی قابل دوام و سازگار با محیط زیست جایگزین جذاب برای تخلیه گاز یا شعله ور “زباله” گاز.

به عنوان شرح داده شده در یک کاغذ ظاهر می شود در علماین تیم با استفاده از تئوری مبتنی بر مدل و شبیه سازی برای شناسایی اتمی-سطح بازآرایی است که در طی واکنش و سپس با انجام آزمایش به منظور بررسی این جزئیات. این مطالعات نشان داد سه نقش ضروری برای آب کار در رابطه با مقرون به صرفه سریم-اکسید مس-اکسید کاتالیست را در مورد تبدیل متان به متانول با 70 درصد انتخاب در حالی که مسدود کردن جانبی ناخواسته واکنش های.

“ما می دانستیم که از کار قبلی است که ما توسعه یافته بسیار انتخابی کاتالیزور برای تبدیل مستقیم متان به متانول در حضور آب” گفت: بروکهیون آزمایشگاه شیمی Sanjaya Senanayake که رهبری این پروژه است. “اما در حال حاضر با استفاده از پیشرفته نظری و تجربی تکنیک های آموخته ایم به همین دلیل آن را به خوبی کار می کند.”

این یافته ها می تواند سرعت توسعه کاتالیزور است که با استفاده از متان فرار از گاز و چاه های نفت آن است که به طور معمول بادی به طور مستقیم به اتمسفر و یا سوخته.

“حمل و نقل گاز بسیار دشوار است و به طور بالقوه خطرناک” Senanayake گفت. “اما اگر شما آن را تبدیل به طور مستقیم به یک مایع شما می توانید آن را حرکت و استفاده از آن به جای خیره کننده آن را بخوان. در حالی که تجاری بالقوه برای چنین واکنش هنوز هم ممکن است چندین سال طول بکشد ما امیدواریم که که ما نتایج و درک درستی از چگونه از آن همه کار می کند کمک خواهد کرد برای دریافت وجود دارد سریع تر است.”

تئوری می گذارد و زمینه را

جستجو برای متان به متانول و کاتالیزور تبدیل شده تا چند چشم انداز امیدوار کننده. اما بسیاری از کار در چند مرحله مجزا با انرژی بالا مورد نیاز است. و در بسیاری از موارد رقابت واکنشهای شکستن متان (و هر تولید متانول) به طور کامل به گاز مونواکسید کربن (CO) و CO2. بنابراین زمانی که بروکهیون تیم برای اولین بار مشاهده شد که خود کاتالیزور می تواند تبدیل مستقیم متان به متانول با عملکرد بالا در یکی مستمر واکنش آنها می خواستم به دانستن بیشتر در مورد چگونه آن را انجام این کار دشوار است.

آنها به خصوص علاقه مند بدانند نقش آب که به نظر می رسد به منظور تسهیل در مراحل کلیدی در روند و به نوعی جلوگیری از واکنش مسیر تولید CO و CO2.

با استفاده از ابزار محاسباتی در بروکهیون آزمایشگاه مرکز نانومواد کاربردی (CFN) Brookhaven علمی داده ها و محاسبات مرکز دانشگاه استونی بروک (دانشگاه شهید بهشتی) و انرژی ملی تحقیقات علمی مرکز محاسبات (NERSC) در سازمان حفاظت محیط زیست را Lawrence Berkeley National Laboratory (آزمایشگاه برکلی) Brookhaven شیمیدان پینگ لیو توسعه رویکرد نظری به کشف کردن آنچه که قرار بود.

او با استفاده از “نظريه تابعی چگالی” (DFT) محاسبات برای شناسایی چگونه واکنش دهنده (متان و اکسیژن و آب) تغییر عنوان آنها در تعامل با یکدیگر و سریم-اکسید مس-اکسید کاتالیست در مراحل مختلف در طول واکنش. این محاسبات همچنین شامل اطلاعات در مورد چه مقدار انرژی آن را برای دریافت از یکی اتمی تنظیم به بعد.

“DFT به شما می دهد یک دسته از ‘فوری’ از مراحل درگیر در واکنش و “برجستگی” و یا موانع شما باید برای غلبه بر برای رسیدن از یک مرحله به بعد” او توضیح داد.

سپس او انجام “جنبشی مونت کارلو” شبیه سازی — در اصل با استفاده از رایانه به سعی کنید از تمام راه های ممکن است این واکنش می تواند ادامه از لحظهای به لحظهای است. این شبیه سازی را به حساب همه ممکن است مسیر و انرژی مورد نیاز برای حرکت از یک مرحله به بعد است.

“این شبیه سازی با شروع هر مرحله میانی و نگاه همه امکانات که می توانید به مرحله بعد بروید — و کشف کردن آنچه که محتمل ترین مسیر” لیو گفت. “شبیه سازی تعیین محتمل ترین راه عکس های فوری را می توان متصل در زمان واقعی است.”

شبیه سازی همچنین مدل مختلف چگونه واکنش در شرایط — برای مثال تغییرات در فشار و درجه حرارت — تاثیر می گذارد واکنش نرخ و مسیر احتمالی.

“وجود دارد 45-50 ممکن است قطعات در واکنش شبکه’ ما شبیه سازی” گفت: خوزه رودریگز یک رهبر بروکهیون را تجزیه گروهی که همچنین دارای یک مشترک انتصاب در دانشگاه شهید بهشتی. “از کسانی که پینگ Erwei هوانگ و Wenjie لیائو دو دکتری در دانشگاه شهید بهشتی بودند و قادر به پیش بینی چه خواهد بود مطلوب ترین شرایط بهترین مسیر برای رفتن از متان به متانول و نه به CO و CO2 – و همه ناشی از حضور آب است.”

مدل های پیش بینی سه نقش آب: 1) فعال کردن متان (CH4) با شکستن یک کربن-هیدروژن پیوند و ارائه یک -OH گروه برای تبدیل CH3 قطعه به متانول 2) مسدود کردن سایت های واکنشی است که به طور بالقوه می تواند تبدیل متان و متانول به CO و CO2و 3) تسهیل جابه جایی متانول تشکیل شده بر روی سطح به فاز گاز به عنوان یک محصول.

“تمام عمل می گیرد در یک یا دو سایت فعال در رابط بین سریم-نانو اکسيد مس و اکسيد فیلم را تشکیل می دهند که ما کاتالیست” Senanayake گفت.

اما این توضیحات هنوز هم فقط یک مدل است. دانشمندان شواهد مورد نیاز.

آزمایش ارائه مدرک

برای جمع آوری شواهد دانشمندان از آکسفورد و دانشگاه شهید بهشتی انجام آزمایش های اضافی در بروکهیون شیمی بخش آزمایشگاه و در زمان سفرهای متعددی به پیشرفته منبع نور (ALS) در آزمایشگاه برکلی. این تیم شامل دانشگاه شهید بهشتی دانشجوی دکتری ایوان Orozco و پست دکترا همراهان Zongyuan لیو, Robert M. پالومینو, Ning Rui و Mausumi Mahapatra.

در ALS, این گروه کار کرده با برکلی آزمایشگاه Slavomir Nemsak و همکاران توماس Duchon (پیتر-Grünberg-انستیتو در آلمان) و دیوید Grinter (الماس منبع نور در بریتانیا) به انجام آزمایش با استفاده از فشار محیط (AP) x-ray طیف سنجی فوتوالکترون (XPS) اجازه داده است که آنها را به مسیر واکنش به این اتفاق افتاد در زمان واقعی برای شناسایی مراحل کلیدی و ميانجی.

“X-rays تحریک الکترون و انرژی الکترون ها به شما می گوید چه گونه های شیمیایی شما باید در سطح و شیمیایی دولت از این گونه است. آن را می سازد ‘شیمیایی اثر انگشت.'” گفت: رودریگز. “با استفاده از این روش شما می توانید به دنبال سطح شیمی و مکانیسم واکنش در زمان واقعی است.”

در حال اجرا در واکنش با و بدون آب تحت طیف وسیعی از شرایط تایید کرد که آب بازی پیش بینی سه نقش. اندازه گیری نشان داد که چگونه واکنش شرایط نقل مکان کرد و این روند رو به جلو و حداکثر تولید متانول با جلوگیری از سمت واکنش های.

“ما در بر داشت شواهد مستقیم برای تشکیل CH3O — متوسط پیشرو برای متانول-در حضور آب” رودریگز گفت. “و چون شما شما تغییر تمام سطح شیمی برای جلوگیری از واکنش های جانبی و همچنین به راحتی انتشار متانول از سطح کاتاليست پس از آن تجزیه.”

“حالا که ما شناسایی اصول طراحی برای کاتالیست” Senanayake گفت: “بعد ما را مجبور به ساخت یک سیستم با استفاده از یک کاتالیزور و تست آن-و ببینید که اگر ما می توانیم آن را بهتر است.”

tinyurlis.gdv.gdv.htclck.ruulvis.netshrtco.de