Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học tiết lộ chi tiết mới giải thích cách chất xúc tác chọn lọc cao chuyển đổi khí mê-tan, thành phần chính của khí tự nhiên, thành metanol, nhiên liệu lỏng và nguyên liệu dễ vận chuyển để sản xuất nhựa, sơn và các sản phẩm hàng hóa khác. Những phát hiện này có thể hỗ trợ thiết kế các chất xúc tác có hiệu quả / chọn lọc hơn để biến đổi khí mê-tan thành một phương pháp thay thế hấp dẫn về mặt kinh tế và hấp dẫn đối với môi trường để thoát khí hoặc đốt ‘khí thải’.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và các cộng tác viên đã tiết lộ chi tiết mới giải thích cách chất xúc tác chọn lọc cao chuyển đổi khí mê-tan, thành phần chính của khí tự nhiên, thành metanol, nhiên liệu lỏng và nguyên liệu dễ vận chuyển để sản xuất nhựa, sơn, và các sản phẩm hàng hóa khác. Những phát hiện này có thể hỗ trợ thiết kế các chất xúc tác có hiệu quả / chọn lọc hơn để biến đổi khí mê-tan thành một phương pháp thay thế hấp dẫn về mặt kinh tế và hấp dẫn đối với khí thải “thải”.
Như được mô tả trong một bài báo xuất hiện trên Science , nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô hình và mô phỏng dựa trên lý thuyết để xác định các sắp xếp lại cấp độ nguyên tử diễn ra trong phản ứng, sau đó tiến hành các thí nghiệm để xác minh các chi tiết đó. Các nghiên cứu đã tiết lộ ba vai trò thiết yếu đối với nước, kết hợp với chất xúc tác xeri / oxit đồng oxit kinh tế, để mang lại sự chuyển đổi khí metan thành metanol với độ chọn lọc 70% trong khi ngăn chặn các phản ứng phụ không mong muốn.
Nhà hóa học của Brookhaven Lab, Sanjaya Senanayake, người đứng đầu dự án cho biết: “Chúng tôi biết từ công việc trước đây rằng chúng tôi đã phát triển một chất xúc tác có tính chọn lọc cao để chuyển đổi trực tiếp khí metan thành metanol khi có nước. Nhưng bây giờ, bằng cách sử dụng các kỹ thuật lý thuyết và thực nghiệm tiên tiến, chúng tôi đã tìm hiểu lý do tại sao nó hoạt động tốt như vậy.”
Các phát hiện có thể tăng tốc độ phát triển các chất xúc tác sử dụng khí mêtan thoát ra từ các giếng khí và dầu, nơi nó thường được thông hơi trực tiếp vào khí quyển hoặc đốt cháy.
Vận chuyển khí là vô cùng khó khăn và có khả năng nguy hiểm. Nhưng nếu chúng ta chuyển đổi trực tiếp thành chất lỏng, chúng ta có thể di chuyển và sử dụng nó thay vì đốt nó một cách lãng phí. Mặc dù tiềm năng thương mại hóa cho phản ứng như vậy có thể vẫn mất vài năm, nhóm của Senanayake hy vọng rằng kết quả của họ và sự hiểu biết về cách thức hoạt động của tất cả sẽ giúp đến đó nhanh hơn.
Lý thuyết đặt nền tảng
Việc tìm kiếm các chất xúc tác metan-metanol đã tạo ra một vài triển vọng đầy hứa hẹn. Nhưng nhiều người hoạt động trong một số bước khác biệt với yêu cầu năng lượng cao. Và trong nhiều trường hợp, các phản ứng cạnh tranh phá vỡ hoàn toàn metan (và bất kỳ metanol được sản xuất nào) thành carbon monoxide (CO) và CO 2 . Vì vậy, khi nhóm Brookhaven lần đầu tiên quan sát thấy rằng chất xúc tác của họ có thể chuyển đổi trực tiếp metan thành metanol với năng suất cao trong một phản ứng liên tục, họ muốn biết thêm về cách nó thực hiện nhiệm vụ khó khăn này.
Họ đặc biệt quan tâm đến việc tìm ra vai trò của nước, có vẻ như tạo điều kiện thuận lợi cho các bước chính trong quy trình và bằng cách nào đó ngăn chặn các con đường phản ứng tạo ra CO và CO 2 .
Sử dụng các công cụ tính toán trong Trung tâm Vật liệu nano chức năng (CFN) của Brookhaven Lab, Trung tâm tính toán và dữ liệu khoa học của Brookhaven, Đại học Stony Brook (SBU) và Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của DOE Nhà hóa học Brookhaven Ping Liu đã phát triển phương pháp lý thuyết để tìm hiểu những gì đang diễn ra.
Đầu tiên, cô sử dụng tính toán “lý thuyết chức năng mật độ” (DFT) để xác định các chất phản ứng (metan, oxy và nước) thay đổi như thế nào khi chúng tương tác với nhau và chất xúc tác xeri / oxit đồng ở các giai đoạn khác nhau trong phản ứng. Những tính toán này cũng bao gồm thông tin về việc cần bao nhiêu năng lượng để có được từ sự sắp xếp nguyên tử này sang lần tiếp theo.
DFT cung cấp cho chúng ta một loạt ‘ảnh chụp nhanh’ về các giai đoạn liên quan đến phản ứng và ‘va chạm’ hoặc rào cản chúng ta phải vượt qua để đi từ giai đoạn này sang giai đoạn tiếp theo.
Sau đó, cô thực hiện các mô phỏng “động học Monte Carlo” – về cơ bản là sử dụng máy tính để thử tất cả các cách có thể mà phản ứng có thể tiến hành từ ảnh chụp nhanh đến ảnh chụp nhanh. Các mô phỏng có tính đến tất cả các con đường có thể và yêu cầu năng lượng để chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn tiếp theo.
Những mô phỏng này bắt đầu với từng giai đoạn trung gian và xem xét tất cả các khả năng có thể đi đến bước tiếp theo – và tìm ra đâu là con đường có thể xảy ra nhất. Các mô phỏng xác định cách có thể xảy ra nhất là các ảnh chụp nhanh có thể được kết nối trong thời gian thực.
Các mô phỏng cũng mô hình hóa các điều kiện phản ứng khác nhau – ví dụ, thay đổi áp suất và nhiệt độ – sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và các con đường có thể xảy ra.
“Có 45-50 thành phần có thể có trong ‘mạng phản ứng’ mà chúng tôi đang mô phỏng”, Jose Rodriguez, một nhà lãnh đạo của nhóm xúc tác Brookhaven, người cũng có một cuộc hẹn chung tại SBU chia sẻ thêm. “Trong số đó, Ping, Erwei Huang và Wenjie Liao, hai sinh viên tiến sĩ tại SBU, đã có thể dự đoán điều gì sẽ là điều kiện thuận lợi nhất, con đường tốt nhất, để đi từ metan đến metanol và không đến CO và CO 2 – và tất cả gây ra bởi sự hiện diện của nước. “
Các mô hình dự đoán ba vai trò của nước: 1) kích hoạt metan (CH4) bằng cách phá vỡ một liên kết carbon-hydro và cung cấp một nhóm -OH để chuyển đoạn CH 3 thành metanol, 2) chặn các vị trí phản ứng có khả năng chuyển đổi metan và metanol thành CO và CO 2 , và 3) tạo điều kiện cho sự dịch chuyển metanol hình thành trên bề mặt vào pha khí dưới dạng sản phẩm.
Tất cả các hành động diễn ra tại một hoặc hai vị trí hoạt động tại giao diện giữa các hạt nano oxit xeri và màng oxit đồng tạo nên chất xúc tác của nhóm nghiên cứu.
Nhưng mô tả này vẫn chỉ là một mô hình. Các nhà khoa học cần bằng chứng.
Thí nghiệm cung cấp bằng chứng
Để thu thập bằng chứng, các nhà khoa học từ Brookhaven và SBU đã tiến hành các thí nghiệm bổ sung trong các phòng thí nghiệm của Phòng Hóa học của Brookhaven và thực hiện một số chuyến đi đến Nguồn sáng tiên tiến (ALS) tại Phòng thí nghiệm Berkeley. Nhóm này bao gồm SBU Ph.D. sinh viên Ivan Orozco và các nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Zongyuan Liu, Robert M. Palomino, Ning Rui và Mausumi Mahapatra.
Tại ALS, nhóm đã làm việc với Slavomir Nemsak của Berkeley Lab và cộng tác viên Thomas Duchon (Peter-Grünberg-Institut ở Đức) và David Grinter (Nguồn ánh sáng kim cương ở Vương quốc Anh) để thực hiện các thí nghiệm sử dụng quang điện tử x quang áp suất xung quanh (AP) quang phổ (XPS), cho phép họ theo dõi phản ứng như đã xảy ra trong thời gian thực để xác định các bước chính và trung gian.
Các tia X kích thích các electron và năng lượng của các electron cho chúng ta biết có loại hóa chất nào trên bề mặt và trạng thái hóa học của loài. Nó tạo ra một “dấu vân tay hóa học”. Sử dụng kỹ thuật này, chúng ta có thể theo cơ chế phản ứng và hóa học bề mặt trong thời gian thực.
Chạy phản ứng có và không có nước trong một loạt các điều kiện xác nhận rằng nước đóng ba vai trò dự đoán. Các phép đo cho thấy các điều kiện phản ứng đã thúc đẩy quá trình tiến lên và tối đa hóa việc sản xuất methanol bằng cách ngăn chặn các phản ứng phụ.
“Chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng trực tiếp cho sự hình thành CH 3 O – tiền chất trung gian của metanol – với sự hiện diện của nước,” Rodriguez chia sẻ thêm. “Và bởi vì bạn có nước, bạn sửa đổi tất cả các chất hóa học bề mặt để chặn các phản ứng phụ, và cũng dễ dàng giải phóng metanol khỏi bề mặt chất xúc tác để nó không bị phân hủy.”
Bây giờ nhóm của Senanayake đã xác định các nguyên tắc thiết kế cho chất xúc tác. Tiếp theo, họ phải xây dựng một hệ thống thực sự để sử dụng chất xúc tác như vậy và kiểm tra nó – và xem liệu nhóm có thể làm cho nó tốt hơn không.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :