Молния в бутылке превращает метан в метанол с селективностью 97%

Правильная химическая формула способна кардинально изменить свойства самых обыденных веществ. Недавние научные прорывы, от превращения вечных химикатов в литий до переработки пластика с помощью отработанного автомобильного топлива, убедительно это доказывают. Однако последнее открытие может оказаться самым впечатляющим, ведь речь идёт буквально о молнии в бутылке.

В исследовании химики представили новую методику превращения метана в метанол и другие ценные соединения.

Суть метода заключается в том, что пузырящийся газообразный метан подвергают воздействию высоковольтного электричества. Это генерирует плазму, которая при определённых условиях напоминает настоящие разряды молнии, а результатом становится окисление метана до метанола с селективностью около 97%.

Cоавтор исследования Дейн Суэрер рассказал:

Одновременно мы получили и другие ценные газообразные продукты, такие как водород и этилен, что уникально для нашего плазменного метода.

По его словам, этой технологии ещё предстоит пройти долгий путь, прежде чем она сможет конкурировать с высокооптимизированными химическими производствами, но принципиальная возможность получать метанол за один этап уже доказана.

Метан представляет собой относительно распространённый природный газ, который обычно используется в качестве топлива. В то же время он остаётся одним из главных источников парниковых выбросов, связанных с деятельностью человека – на его долю приходится около 11% глобальной эмиссии.

Метанол, жидкое окисленное производное метана, имеет гораздо более широкий спектр применения. Он используется в качестве промышленного растворителя, в фармацевтическом производстве, как антифриз и как топливо. Именно поэтому некоторые специалисты называют превращение метана в метанол "святым Граалем" катализа, раздела химии, изучающего катализаторы в критических реакциях.

Как работает новый метод

По словам Суэрера, мировое производство метанола достигает почти 110 миллионов метрических тонн в год. Существующий метод преобразования метана в метанол по сути дважды разбирает молекулу и собирает её заново в виде метанола. Сначала метан обрабатывают паром, а полученную смесь оксида углерода и водорода подвергают воздействию высоких давлений и температур.

В пресс-релизе Северо-Западного университета отмечается, что такая схема потребляет колоссальное количество тепла и неизбежно генерирует углекислый газ на одном из этапов.

Новое исследование ставило целью упростить процесс и сделать его менее энергозатратным. Для этого учёные разработали плазменно-пузырьковый реактор с покрытием из катализатора на основе оксида меди. Как только метан попадает в трубку реактора, электрические импульсы расщепляют газ на высокореактивные соединения, которые быстро рекомбинируют в метанол.

Сразу после образования метанол погружается в окружающую воду, чтобы ценный продукт не успел разложиться.

Наш ключевой прорыв заключался в понимании того, что короткоживущие реактивные частицы в плазме необходимо задействовать как можно быстрее.

Разместив катализатор на пути плазмы, учёные смогли управлять результатом и направлять реакцию в сторону более желаемых продуктов.

Отдельный интерес для Суэрера представляет масштабное применение плазмы. Это так называемое "четвёртое состояние вещества" составляет более 99% видимой Вселенной, однако на Земле встречается относительно редко. При этом плазменная наука уже сыграла значительную роль в создании большинства электронных технологий и продолжает развиваться.

Новое исследование указывает на то, что потенциал плазмы в неожиданных областях раскрыт далеко не полностью.

Это прекрасный пример того, как фундаментальные исследования могут помочь оптимизировать молекулярные взаимодействия и, возможно, когда-нибудь создать значительно более компактные, чистые и энергоэффективные химические технологии.

Учёный добавил, что в этой области открываются поистине удивительные возможности, но работы предстоит ещё очень много.