Phương pháp mới chuyển đổi methane thành methanol
Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học ở Đại học Manchester (Anh) dẫn dắt đã phát triển một phương pháp mới nhanh chóng và tiết kiệm để chuyển đổi methane thành methanol ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường.
Phương pháp này liên quan đến dòng chảy liên tục của nước bão hòa methane/oxy trên một chất xúc tác mới là vật liệu khung cơ kim (MOF). Đây là vật liệu xốp và chứa nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần đều có vai trò hấp thụ ánh sáng, chuyển đổi thành các electron, kích hoạt và mang lại khí methane và oxy. Nhờ đó, người ta có thể dễ dàng chiết xuất methanol lỏng từ nước. Nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả này trong bài báo “Direct photo-oxidation of methane to methanol over a mono-iron hydroxyl site” trên tạp chí Nature Materials.
Khí methane có sẵn trong tự nhiên là một nguồn nhiên liệu dồi dào và giá trị, được dùng cho lò nướng, lò nung, máy nước nóng, ô tô và tua bin. Tuy nhiên, methane cũng nguy hiểm do khó chiết xuất, vận chuyển và lưu trữ. Khí methane cũng gây hại cho môi trường khi phát tán vào khí quyển bởi nó là một khí nhà kính mạnh. Các nguồn phát thải methane hàng đầu bao gồm sản xuất và sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sinh khối mục rữa hoặc bị đốt cháy như cháy rừng, phế phẩm nông nghiệp, bãi chôn lấp và lớp băng vĩnh cửu tan chảy.
Khí methane dư thừa thường được đốt cháy để giảm tác động đến môi trường. Tuy nhiên, quá trình này lại tạo ra khí nhà kính CO2.
Từ lâu, ngành công nghiệp đã tìm kiếm một phương pháp tốn ít chi phí và hiệu quả để chuyển đổi methane thành methanol – một loại nguyên liệu thô đa năng có giá trị thương mại cao được dùng để sản xuất nhiều sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng. Điều này không chỉ giúp giảm phát thải methane mà còn mang lại lợi ích về kinh tế.
Methanol là một nguồn carbon linh hoạt hơn methane và là một chất lỏng dễ vận chuyển. Nó có thể sử dụng để sản xuất hàng ngàn sản phẩm như dung môi, chất chống đông, nhựa acrylic, vải và sợi tổng hợp, chất kết dính, sơn và gỗ dán, các tác nhân hóa học được dùng trong dược phẩm và nông hóa phẩm. Việc chuyển đổi methane thành một nhiên liệu có giá trị cao như methanol càng được quan tâm hơn khi trữ lượng dầu mỏ ngày càng giảm.
Phá vỡ liên kết
Thách thức chính trong việc chuyển đổi methane (CH4) thành methanol (CH3OH) là phá vỡ liên kết hóa học C-H để chèn một nguyên tử oxy tạo liên kết C-OH. Các phương pháp chuyển hóa methane thông thường bao gồm hai giai đoạn: đầu tiên là định hình bằng hơi nước, sau đó là quá trình oxy hóa tổng hợp. Phương pháp này cần sử dụng nhiều năng lượng, tốn kém chi phí và không hiệu quả vì đòi hỏi điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
Quy trình chuyển methane thành methanol nhanh chóng và tiết kiệm do nhóm nghiên cứu phát triển sử dụng vật liệu MOF đa thành phần và ánh sáng khả kiến. Một dòng nước bão hóa CH4 và O2 sẽ chảy qua một lớp hạt MOF được tiếp xúc với ánh sáng. MOF chứa nhiều thành phần được thiết kế khác nhau với những vị trí cố định trong cấu trúc phía trên của lớp xốp. Chúng sẽ hấp thụ ánh sáng để tạo ra các electron và chuyển cho oxy và methane trong lỗ xốp để tạo thành methanol.
“Để đơn giản hóa quy trình, khi methane tiếp xúc với vật liệu MOF chứa các vị trí hydroxyl sắt đơn, các phân tử oxy được kích hoạt và năng lượng từ ánh sáng sẽ thúc đẩy liên kết C-H trong methane để tạo thành methanol”, Sihai Yang, giáo sư hóa học ở Đại học Manchester và là tác giả liên hệ của bài báo cho biết. “Quy trình này có tính chọn lọc 100%, đồng nghĩa với việc không có những sản phẩm phụ ngoài ý muốn”.
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng chất xúc tác rắn có thể được phân lập, rửa sạch, để khô và tái sử dụng trong ít nhất 10 chu kỳ, hoặc khoảng 200 giờ phản ứng mà không làm giảm hiệu suất.
Quá trình quang xúc tác mới tương tự cách thực vật chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong quá trình quang hợp. Thực vật hấp thụ áp sáng mặt trời và CO2 qua lá, sau đó quá trình quang xúc tác sẽ chuyển đổi các nguyên tố này thành đường, oxy và hơi nước.
“Quá trình này được gọi là ‘chén thánh của xúc tác’. Thay vì đốt cháy methane, giờ đây chúng ta có thể chuyển hóa trực tiếp chúng thành methanol, một chất hóa học giá trị cao có thể ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, dung môi, thuốc trừ sâu và phụ gia nhiên liệu cho các phương tiện giao thông”, Martin Schröder, người đứng đầu Khoa Khoa học và Kỹ thuật ở Đại học Manchester cho biết. “Vật liệu MOF mới này cũng có thể thúc đẩy các loại phản ứng hóa học khác bằng cách đóng vai trò như một loại ống nghiệm, trong đó chúng ta có thể kết hợp các chất khác nhau để xem chúng phản ứng như thế nào”.
Sử dụng neutron để “chụp lại” quá trình
Để quan sát hoạt động và tính chọn lọc của quy trình này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tán xạ neutron trên máy quang phổ neutron VISION với nguồn neutron Spallation (SNS) ở Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge.
“Việc sử dụng tán xạ neutron để ‘chụp hình’ trên thiết bị VISION bước đầu đã xác định những tương tác mạnh mẽ giữa CH4 và hydroxyl sắt đơn trong MOF dẫn đến sự suy yếu của các liên kết C-H”, Yongqiang Cheng, một nhà khoa học thiết bị tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge nói.
“VISION là một máy quang phổ dao động neutron công suất cao được tối ưu hóa để cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử, liên kết hóa học và tương tác giữa các phân tử”, Anibal “Timmy” Ramirez Cuesta, người đứng đầu Nhóm Quang phổ hóa học tại SNS cho biết. “Các phân tử methane tạo ra tín hiệu tán xạ neutron mạnh và đặc trưng từ chuyển động quay và rung – những thứ nhạy cảm với môi trường cục bộ. Nhờ đó, chúng tôi có thể tìm hiểu rõ ràng các tương tác làm suy yếu liên kết giữa CH4 và MOF bằng các kỹ thuật quang phổ neutron tiên tiến”.
Nhanh chóng, tiết kiệm và có thể tái sử dụng
Bằng cách loại bỏ điều kiện về nhiệt độ hoặc áp suất cao, và sử dụng năng lượng mặt trời để thúc đẩy quá trình quang oxy hóa, phương pháp này có thể góp phần giảm đáng kể thiết bị và chi phí vận hành. Ngoài ra, khả năng chuyển hóa methane thành methanol với tốc độ cao mà không tạo ra sản phẩm phụ ngoài ý muốn sẽ góp phần giảm chi phí và tạo điều kiện thuận để ứng dụng thực tế.
Thanh An dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2022-06-holy-grail-catalysisturning-methane-methanol.html
