Un equipo internacional de investigadores, dirigido por científicos de la Universidad de Manchester, ha desarrollado un método rápido y económico para convertir metano, o gas natural, en metanol líquido a temperatura y presión ambiente. El método tiene lugar bajo un flujo continuo sobre un material fotocatalítico utilizando luz visible para impulsar la conversión.

Para ayudar a observar cómo funciona el proceso y cuán selectivo es, los investigadores utilizaron la dispersión de neutrones en el instrumento VISION en la fuente de neutrones por espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

El método implica un flujo continuo de metano/agua saturada de oxígeno sobre un nuevo catalizador de estructura metal-orgánica (MOF). El MOF es poroso y contiene diferentes componentes, cada uno de los cuales tiene un papel en la absorción de luz, la transferencia de electrones y la activación y unión del metano y el oxígeno. El metanol líquido se extrae fácilmente del agua. Dicho proceso se ha considerado comúnmente "un santo grial de la catálisis" y es un área de interés para la investigación respaldada por el Departamento de Energía de EE. UU. Los detalles de los hallazgos del equipo, titulados "Fotooxidación directa de metano a metanol sobre un sitio de hidroxilo de monohierro", se publican en Nature Materials.

El metano de origen natural es un combustible abundante y valioso, que se utiliza para hornos, hornos, calentadores de agua, hornos, automóviles y turbinas. Sin embargo, el metano también puede ser peligroso debido a la dificultad de extraerlo, transportarlo y almacenarlo.

El gas metano también es dañino para el medio ambiente cuando se libera o se filtra a la atmósfera, donde es un potente gas de efecto invernadero. Las principales fuentes de metano atmosférico incluyen la producción y el uso de combustibles fósiles, la descomposición o la quema de biomasa, como los incendios forestales, los productos de desecho agrícola, los vertederos y el derretimiento del permafrost.

El exceso de metano suele quemarse o quemarse en antorcha para reducir su impacto ambiental. Sin embargo, este proceso de combustión produce dióxido de carbono, que en sí mismo es un gas de efecto invernadero.

La industria ha buscado durante mucho tiempo una forma económica y eficiente de convertir el metano en metanol, una materia prima altamente comercializable y versátil que se utiliza para fabricar una variedad de productos industriales y de consumo. Esto no solo ayudaría a reducir las emisiones de metano, sino que también proporcionaría un incentivo económico para hacerlo.

El metanol es una fuente de carbono más versátil que el metano y es un líquido fácilmente transportable. Se puede utilizar para fabricar miles de productos como solventes, anticongelantes y plásticos acrílicos; tejidos y fibras sintéticas; adhesivos, pintura y madera contrachapada; y agentes químicos utilizados en productos farmacéuticos y agroquímicos. La conversión de metano en un combustible de alto valor como el metanol también se está volviendo más atractiva a medida que disminuyen las reservas de petróleo.

Romper el vínculo

Un desafío principal de convertir metano (CH₄ ) a metanol (CH₃ OH) ha sido la dificultad de debilitar o romper el enlace químico carbono-hidrógeno (C-H) para insertar un átomo de oxígeno (O) para formar un enlace C-OH. Los métodos convencionales de conversión de metano generalmente involucran dos etapas, reformado con vapor seguido de oxidación de gas de síntesis, que consumen mucha energía, son costosos e ineficientes, ya que requieren altas temperaturas y presiones.

El proceso rápido y económico de metano a metanol desarrollado por el equipo de investigación utiliza un material MOF multicomponente y luz visible para impulsar la conversión. Un flujo de CH₄ y O₂ el agua saturada pasa a través de una capa de gránulos de MOF mientras se expone a la luz. El MOF contiene diferentes componentes diseñados que se ubican y mantienen en posiciones fijas dentro de la superestructura porosa. Trabajan juntos para absorber la luz y generar electrones que pasan al oxígeno y al metano dentro de los poros para formar metanol.

"Para simplificar enormemente el proceso, cuando el gas metano se expone al material MOF funcional que contiene sitios mono-hierro-hidroxilo, las moléculas de oxígeno activadas y la energía de la luz promueven la activación del enlace C-H en el metano para formar metanol", dijo Sihai. Yang, profesor de química en Manchester y autor correspondiente. "El proceso es 100 % selectivo, lo que significa que no hay ningún subproducto indeseable, comparable con la metano monooxigenasa, que es la enzima natural para este proceso".

Los experimentos demostraron que el catalizador sólido se puede aislar, lavar, secar y reutilizar durante al menos 10 ciclos, o aproximadamente 200 horas de tiempo de reacción, sin pérdida de rendimiento.

El nuevo proceso fotocatalítico es análogo a cómo las plantas convierten la energía luminosa en energía química durante la fotosíntesis. Las plantas absorben la luz solar y el dióxido de carbono a través de sus hojas. Luego, un proceso fotocatalítico convierte estos elementos en azúcares, oxígeno y vapor de agua.

“Este proceso ha sido denominado el 'santo grial de la catálisis'. En lugar de quemar metano, ahora es posible convertir el gas directamente en metanol, un químico de alto valor que puede usarse para producir biocombustibles, solventes, pesticidas y aditivos de combustible para vehículos", dijo Martin Schröder, vicepresidente y decano de Facultad de Ciencias e Ingeniería de Manchester y autor correspondiente. "Este nuevo material MOF también puede ser capaz de facilitar otro tipo de reacciones químicas sirviendo como una especie de tubo de ensayo en el que podemos combinar diferentes sustancias para ver cómo reaccionan".

Uso de neutrones para representar el proceso

"Usar la dispersión de neutrones para tomar 'fotos' en el instrumento VISION confirmó inicialmente las fuertes interacciones entre CH₄ y los sitios de mono-hierro-hidroxilo en el MOF que debilitan los enlaces C-H", dijo Yongqiang Cheng, científico de instrumentos en la Dirección de Ciencias de Neutrones de ORNL.

"VISION es un espectrómetro vibracional de neutrones de alto rendimiento optimizado para proporcionar información sobre la estructura molecular, los enlaces químicos y las interacciones intermoleculares", dijo Aníbal "Timmy" Ramírez Cuesta, quien dirige el Grupo de Espectroscopia Química en el SNS. "Las moléculas de metano producen señales de dispersión de neutrones fuertes y características a partir de su rotación y vibración, que también son sensibles al entorno local. Esto nos permite revelar sin ambigüedades las interacciones que debilitan los enlaces entre CH₄ y el MOF con técnicas avanzadas de espectroscopia de neutrones".

Rápido, económico y reutilizable

Al eliminar la necesidad de altas temperaturas o presiones, y al utilizar la energía de la luz solar para impulsar el proceso de fotooxidación, el nuevo método de conversión podría reducir sustancialmente los costos operativos y de equipo. La mayor velocidad del proceso y su capacidad para convertir metano en metanol sin subproductos indeseables facilitará el desarrollo de un procesamiento en línea que minimice los costos. + Explora más

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