Метан (CH₄) — газ без цвета и запаха, составляющий большую часть природного газа на Земле. До сих пор его перерабатывали в полезное топливо и химические вещества с помощью энергоёмких процессов, которые необходимо проводить при высоких температурах. Однако некоторые исследователи в области энергетики изучают возможность преобразования этого газа в полезные углеводороды и химические вещества с помощью фотокатализа.
Фотокатализ
Фотокатализ — это процесс, в ходе которого энергия, содержащаяся в свете, обычно солнечная энергия, активирует материал, известный как «катализатор», запуская желаемые химические реакции. Превращение CH₄ в конкретное топливо или химические вещества с помощью фотокатализа вместо традиционных методов, основанных на сжигании ископаемого топлива, может быть весьма выгодным, поскольку может способствовать сокращению выбросов парниковых газов.
Новый подход
Исследователи из Хэбэйского университета и других институтов в Китае недавно представили новый подход к преобразованию CH₄ в пропан (C₃H₈) с помощью фотокатализа. Пропан — это углеводород, который легче использовать в реальных условиях, поскольку он становится жидким при определённом давлении, что облегчает его хранение и транспортировку.
Их метод, описанный в статье, опубликованной в Nature Energy, обеспечивает эффективный фотокаталитический окислительный синтез метана (POCM). В ходе этого процесса молекулы метана, подверженные воздействию кислорода, могут соединяться и образовывать более крупные углеводороды, используя диоксид титана (TiO₂) в качестве катализатора.
«POCM позволяет производить топливо и химические вещества с добавленной стоимостью, используя возобновляемую солнечную энергию», — написали Вэньфэн Не, Ливэй Чэнь и их коллеги в своей статье. «К сожалению, несмотря на недавние достижения в области производства химических веществ C₂ (например, этана), системы POCM, которые селективно производят промышленно полезные и транспортабельные углеводороды C₃+, остаются недоступными».
Улучшенный катализатор
Фотокаталитический процесс, с помощью которого эта группа исследователей преобразовала CH₄ в C₃H₈, основан на улучшенной версии фотокатализатора TiO₂. Это широко используемый полупроводниковый материал, но команда улучшила его фотокаталитические возможности, внедрив наночастицы золота (Au) в его поры (то есть в ограниченные пространства в его структуре).
«Мы сообщаем, что Au-внедрённый пористый TiO₂, активированный паром во время процесса POCM, обеспечивает эффективный и селективный синтез пропана с производительностью 1,4 ммоль/ч, — написали Не, Чэнь и их коллеги. — При такой производительности мы достигаем высокой селективности пропана в 91,3% и кажущейся квантовой эффективности в 39,7% при длине волны 365 нм».
В ходе начальных испытаний было обнаружено, что улучшенный катализатор на основе TiO₂, представленный исследователями, позволяет синтезировать пропан с замечательной производительностью, квантовой эффективностью и селективностью. Результаты весьма многообещающие, намекают на возможность реализации эффективной солнечной фотокаталитической конверсии метана в более ценное топливо в больших масштабах.
«Механистические исследования показывают, что напряжённый Au и нанопоровая каталитическая микросреда совместно стабилизируют ключевые промежуточные соединения этана, стимулируя более глубокое связывание C₂–C₁ с образованием пропана», — написали авторы. «Тем временем активированный паром поверхностный кристаллический кислород на TiO₂ ускоряет перенос водородных частиц, тем самым повышая кинетику POCM. Такой подход экономически целесообразен для практического применения при концентрированном солнечном свете».
Это недавнее исследование может вскоре открыть новые возможности для экологически чистой переработки метана в углеводороды и химические вещества, которые до сих пор широко используются как для транспорта, так и в промышленности. В будущем другие исследовательские группы могут опираться на результаты, полученные Не, Чэнь и их коллегами, для разработки других высокоэффективных катализаторов и подходов POCM.