Ученые из Департамента энергетики США в Брукхейвенской национальной лаборатории и соавторы выявили новые подробности, которые объясняют, как высокоселективный катализатор преобразует метан, основной компонент природного газа, метанола, легко для перевозки жидкого топлива и сырья для производства пластмасс, красок, и других сырьевых товаров. Полученные результаты могут способствовать разработке более эффективной/селективные катализаторы, чтобы сделать конверсии метана экономически и экологически привлекательную альтернативу для вентиляции или сжигания «отходов» газ.
Как описано в статье, опубликованной в науке, ученые использовали теоретические модели и моделирование для определения атомного уровня перестроек, которые происходят в ходе реакции, а затем провели эксперименты, чтобы проверить эти детали. В результате исследований выявлено три основных ролей для воды, работающие в сочетании с экономичным церия-оксид, медь оксид катализатора для конверсии метана в метанол с 70 процентов селективность при блокировка нежелательных побочных реакций.
«Мы знали, что от предыдущей работы, что мы разработали селективный катализатор для прямой конверсии метана в метанол в присутствии воды», — сказал Брукхейвенской лаборатории химик Санджая Сенанаяке, который вел проект. «Но теперь, с помощью современных теоретических и экспериментальных методов, мы узнали, почему он работает так хорошо.»
Полученные результаты могут ускорить развитие катализаторы, которые делают использование метана вырваться из газовых и нефтяных скважин, где она, как правило, вентилируемый непосредственно в атмосферу или сжигается.
«Транспортировка газа является чрезвычайно сложной и потенциально опасных,» Сенанаяке сказал. «Но если вы преобразовать его непосредственно в жидкость, которую вы можете переместить его и использовать его вместо сжигания его расточительно. В то время как потенциал коммерциализации такой реакции может затянуться на несколько лет, мы надеемся, что наши результаты и понимания, как все это работает поможет вам быстрее.»
Теория закладывает основы
Поиск метана в метанол катализаторы оказался несколько многообещающие перспективы. Но многие работают в несколько различных шагов с высоким энергопотреблением. И во многих случаях конкурирующие реакции сломать метана (и любой произведенный метанол) полностью окиси углерода (CO) и СО2. Так что, когда команда Брукхейвен впервые заметила, что их катализатором может напрямую конвертировать метан в метанол с высоким выходом в одну непрерывную реакцию, они хотели узнать больше о том, как он выполнял эту сложную задачу.
Они были особенно заинтересованы в выяснении роли воды, который появился, чтобы облегчить ключевых этапов в процессе и как-то блокировать пути реакции, которая произвела Co и CO2.
Использование вычислительных средств в Брукхейвенской лаборатории Центра функциональных наноматериалов (CFN по), Брукхейвенской научных данных и вычислительный центр Университета Стоуни-Брук (СБУ) и Национального энергетического научно-исследовательский вычислительный центр (NERSC) в ДОУ Лоренса Беркли Национальной лаборатории (лаборатории Беркли), Брукхейвенской химик пинг Лю разработан теоретический подход, чтобы выяснить, что происходит.
Во-первых, она используется «теория функционала плотности» (ТФП) расчеты, чтобы определить, как реагенты (метан, кислород и вода) изменен, как они взаимодействовали друг с другом и церия-оксид, медь оксид катализатора на различных стадиях реакции. Эти расчеты включают также информацию о том, сколько энергии потребуется, чтобы добраться от одной атомной договоренности на следующем.
«ДПФ дает вам кучу снимков этапов реакции и шишек или препятствия вам придется преодолеть, чтобы добраться от одного этапа к другому», — пояснила она.
Тогда она исполнила «кинетического моделирования методом Монте-Карло» — по сути, используя компьютеры, чтобы попробовать все возможные способы реакции могут переходить от снимка к снимку. Моделирование учитывать все возможные пути проникновения и энергетические потребности, чтобы перейти от одного этапа к следующему.
«Эти модели начинаются с каждого промежуточного этапа и рассмотреть все возможности, которые могут пойти на следующий шаг-выяснить, что наиболее вероятный путь», — сказал Лю. «Моделирования определить наиболее вероятные пути снимки могут быть подключены в режиме реального времени».
Моделирование и модель, как различные условия реакции, например, изменения давления и температуры, будет влиять на скорости реакций и вероятные пути.
«Там были 45-50 возможных компонентов в сети реакция’ мы симулировали», — сказал Хосе Родригес, лидер группы катализа Брукхейвен, который также имеет совместное назначение в СБУ. «Из тех, пинг, Erwei Хуан, и Вэньцзе Ляо, двух аспирантов в СБУ, удалось предсказать, что будет наиболее благоприятных условий, наилучший путь, для выхода из метана получить метанол, а не СО и СО2 … и все вызванные наличием воды.»
Модели предсказали три функции воды: 1) активация метана (СН4), разбив одну углерод-водородных связей и -ой группы для преобразования фрагмента СН3, метанол, 2) блокирование реакционноспособных сайтов, которые потенциально могут преобразовать метана и метанола до СО и СО2, и 3) способствует вытеснению из метанола образуется на поверхности в газовую фазу в качестве продукта.
«Все действие происходит на одном или двух активных центров на границе раздела церий-оксидных наночастиц и медно-окисной пленки, которые составляют наш «катализатор»,» Сенанаяке сказал.
Но это описание было еще только модель. Ученым нужны доказательства.
Опыты дают доказательства
Чтобы собрать доказательства, ученые из Брукхейвенской и СБУ провели дополнительные эксперименты в химическом отделении лаборатории Брукхейвен и совершил несколько поездок в расширенный источник света (ALS) в лаборатории Беркли. Эти команды вошли кандидат философских наук СБУ студента Ивана Ороско и аспиранты Лю Zongyuan, Роберт М. Паломино, Нин Руи, и Mausumi Mahapatra.
На АЛС группа работала с Беркли лаборатории Славомир Nemsak и коллаборационистов Томас Duchon (Питер-Грюнберг институте в Германии) и Дэвид Гринтер (Алмазный источник света в Соединенном Королевстве) для выполнения экспериментов с использованием атмосферного давления (АД) методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), что позволило им отслеживать реакцию, как это произошло в реальном времени для выявления основных этапов и промежуточных продуктов.
«Рентгеновские лучи возбуждают электроны, и энергия электронов говорит вам, что химическая видов, у вас на поверхности и химического состояния пород. Это делает химические отпечатки пальцев'».сказал Родригес. «Используя эту технику, вы можете следить за химии поверхности и механизма реакции в реальном времени».
Запуск реакции с и без воды в различных условиях, подтвердили, что вода играет предсказал три роли. Измерения показали, как условия реакции перемещается вперед и развернуто производство метанола путем предотвращения побочных реакций.
«Мы нашли прямые доказательства для формирования CH3O — промежуточный предшественник метанола … в присутствии воды», — сказал Родригес. «И потому, что у вас есть вода, вы измените всю поверхность химии для блокирования побочных реакций, а также легко освободить метанола с поверхности катализатора, поэтому она не разлагается.»
«Теперь, когда мы определили принципы построения катализатор,» Сенанаяке сказал: «Мы должны построить реальную систему с использованием такого катализатора и проверить его, и посмотреть, если мы можем сделать его лучше.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!