Zmiana metanu w etan jedynie w obecności światła słonecznego

Metan to gaz, bez którego w gospodarce trudno się obejść, a jednocześnie sprawia mnóstwo problemów. Francuscy naukowcy opracowali katalizator, który – jedynie w obecności światła słonecznego – prowadzi do zmiany metanu w cenniejszy dla przemysłu etan. Polskie badaczki pomogły zrozumieć szczegóły działania katalizatora.
– Pokazujemy, że przy użyciu odpowiednich katalizatorów i światła słonecznego możemy aktywować cząsteczki, które słabo reagują z innymi. W tym przypadku chodzi o metan – wyjaśnia w rozmowie z PAP współautorka publikacji dr hab. Dorota Rutkowska-Żbik, prof. Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN. Publikacja kierowana przez badaczy z francuskiego Uniwersytetu w Lille ukazała się w „Applied Catalysis B: Environment and Energy”. W badaniach brała udział również dr hab. Renata Tokarz-Sobieraj, prof. IKiFP PAN.
Metan (CH4) to bardzo prosty węglowodór, najkrótszy z alkanów. Jest gazem łatwopalnym, wybuchowym i trującym. Stanowi 80% gazu ziemnego i ludzie nauczyli się robić z niego pożytek. To głównie ten związek pali się niebieskim ogniem w kuchenkach gazowych. To nim napełnia się zbiorniki na gaz w samochodach lub ogrzewa domy. Metan produkowany jest w przewodzie pokarmowym zwierząt przy okazji trawienia roślin. Uwalnia się także z torfowisk czy w biogazowniach przy fermentacji odpadów organicznych.
Zaraz po dwutlenku węgla metan jest najważniejszym gazem cieplarnianym. Jedna cząsteczka tego węglowodoru 70-krotnie bardziej przyczynia się do efektu cieplarnianego niż cząsteczka CO2. To o tyle problem, że naturalne zbiorniki metanu – klatraty – uwięzione w wiecznej zmarzlinie w miarę ocieplenia klimatu zaczynają rozmarzać i metan coraz intensywniej uwalniany będzie do środowiska.
Gaz spod ziemi
Metan jest składnikiem złóż nie tylko gazu ziemnego, ale i węgla kamiennego czy ropy naftowej. A przez to jest nieprzyjacielem górników – może doprowadzić do wybuchu pod ziemią czy zatrucia pracowników. Przed groźnym stężeniem metanu (ale również CO2 i czadu) ostrzegały górników kanarki, które jako pierwsze padały przy wysokich stężeniach gazu.
Teraz, jeśli metan dostępny jest w cenniejszych złożach, np. ropy naftowej czy węgla, zdarza się, że jest wypalany na miejscu w charakterystycznych pochodniach gazowych, które nie są używane jako źródło energii ani ciepła, aby nie powodował zagrożenia dla człowieka i środowiska. Ten zasób naturalny marnuje się zatem, bo jest tak tani, że nie opłaca się go wyłapywać i transportować.
Widać więc, że jest sporo miejsc, gdzie metan jest nieproszonym gościem i nie ma pomysłu, jak go zagospodarować. Dlatego świętym Graalem chemii organicznej jest opracowanie sposobu, by metan na miejscu – tam, gdzie się uwalnia – przerabiać na inne cenniejsze związki.
Osłabić mocnego
Problemem jest to, że metan jest stabilnym związkiem. Jego składniki – 4 atomy wodoru i 1 atom węgla – tworzą stateczny czworobok. Trzeba do niego dodać dużo energii, żeby czworobok rozczepić i wmontować do niego kolejne elementy.
– Aktywacja mniejszych cząsteczek, nie tylko metanu, ale choćby dwutlenku węgla czy tlenku azotu, jest dużym wyzwaniem, z jakim boryka się dzisiaj kataliza. Prace nad takimi rozwiązaniami są jednak rozwijane, a aktywność związków już jest obiecująca – ocenia w rozmowie z PAP prof. Dorota Rutkowska-Żbik.
Jeśli jakaś reakcja nie chce zajść sama, można jej pomóc – znaleźć katalizator, który przy niewielkim nakładzie energii umożliwi przekształcanie metanu w cenniejsze związki. Jedną z bardziej oczywistych przemian jest przemiana metanu w etan, drugi z kolei w szeregu alkanów (C2H6). Ten związek jest bardziej reaktywny i pożądany jako składnik wielu reakcji chemicznych w przemyśle.
Dlatego badacze z francuskiego Lille opracowali katalizator, który pozwala na reakcję selektywnego sprzęgania metanu do etanu. Do reakcji tej nie są potrzebne wysokie temperatury, a wystarczy energia słoneczna.
Fotokatalizatory oparte są na układach srebra lub palladu, heteropolikwasu (HPA) oraz tlenku tytanu (Ag-HPA-TiO2 oraz Pd-HPA-TiO2). Polskie naukowczynie w ramach publikacji badały, w jaki sposób przebiega reakcja chemiczna w obecności takiego katalizatora.
To dopiero początek prac
Prof. Rutkowska-Żbik tłumaczy, że katalizator jest potrzebny, żeby z pary wodnej obecnej w ramach reakcji tworzyć rodniki .OH, które z kolei w fazie gazowej aktywują metan. A dalsza część reakcji zachodzi na powierzchni katalizatora, gdzie przy udziale energii światła słonecznego następuje sprzężenie dwóch cząsteczek metanu w etan i uwolnienie nadmiarowego wodoru.
– Docelowo reakcja mogłaby zachodzić w podłużnych reaktorach – rurach, którymi transportowany byłby metan. Rury byłyby albo przezroczyste, by zagwarantować dostęp słońca do reakcji, albo oświetlane światłem sztucznym, a od dołu pokryte katalizatorem. Gaz pozyskiwany spod ziemi przepływałby przez rurę, a na jej wylocie można by było pozyskiwać etan – opisuje prof. Dorota Rutkowska-Żbik.
Badaczka przyznaje, że na razie reakcja nie zachodzi tak efektywnie, jak w reakcjach, w których metan jest podgrzewany, ale to dopiero początek prac.
Źródło: naukawpolsce.pl/Ludwika Tomala
Czytaj także: Wyjątkowe odkrycie w chemii cząsteczek bioorganicznych