کاتالیزور جدید تبدیل متان در دمای پایین را با عملکرد پایدار امکان پذیر می کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

جفت اکسیداتیو متان (OCM) یک واکنش شیمیایی است که مستقیما متان و اکسیژن، اجزای اصلی گاز طبیعی را به هیدروکربن‌های با ارزش بالاتر مانند اتان و اتیلن تبدیل می‌کند. با این حال، واکنش یک چالش انتخابی اساسی را ارائه می دهد.

پیوندهای C-H در متان بسیار پایدار هستند و فعال شدن آنها در دماهای پایین دشوار است. علاوه بر این، از آنجایی که اتان و اتیلن واکنش پذیرتر از متان هستند، به راحتی به اکسیدهای کربن (COx) بیش از حد اکسید می شوند. کاتالیزورهای معمولی مورد استفاده برای OCM به دمای عملیاتی نزدیک به 800 درجه سانتیگراد (1472 درجه فارنهایت) نیاز دارند و می توانند در طول عملیات طولانی مدت غیرفعال شوند و مانع پذیرش گسترده صنعتی شوند.

در حالی که دانشمندان طیف گسترده‌ای از کاتالیزورها را آزمایش کرده‌اند، دستیابی به فعالیت در دمای پایین، بازده محصول بالا و پایداری طولانی‌مدت به طور همزمان یک مانع حیاتی است.

برای مقابله با این چالش‌ها، محققان مؤسسه علوم توکیو (ساینس توکیو)، ژاپن، کاتالیزورهای اکسید انتروپی بالا (HEO) مبتنی بر لانتانوئید را توسعه داده‌اند، موادی که در آن پنج یا چند عنصر فلزی در یک ساختار کریستالی مشترک گنجانده شده‌اند.

تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور کیگو کاماتا از آزمایشگاه مواد و سازه‌ها، مؤسسه تحقیقات یکپارچه، علوم توکیو، و استادیار کیجو واچی از گروه شیمی کاربردی، دانشکده مهندسی، دانشگاه توکیو، ژاپن، نشان دادند که HEO‌ها در طول فعالیت‌های لانتانوئیدی درازمدت، ویژگی‌های خاصی را با هم ترکیب می‌کنند. OCM.

مطالعه آنها به صورت آنلاین در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.

محققان 55 ترکیب HEO را که شامل پنج ساختار کریستالی و 24 عنصر بودند، غربالگری کردند. کاماتا می‌گوید: «در نتیجه غربال‌گری، سیستم‌های حاوی لانتانوئید به‌عنوان نامزدهای امیدوارکننده ظاهر شدند، با HEO‌های خاکی کمیاب نوع C که بازده نسبتا بالا C2 را با پایداری ساختاری ترکیب می‌کردند.

هفت HEO به عنوان کاتالیزور نانوذره با استفاده از روش سل-ژل توسعه یافته در داخل سنتز شدند. HEO های دارای پنج عنصر یکپارچه همگن با کلسینه کردن پیش سازهای آمورف تهیه شده از استات های فلزی و اسید آسپارتیک در دمای 750-800 درجه سانتی گراد (1382-1472 درجه فارنهایت) سنتز شدند.

غربالگری بیشتر منجر به انتخاب HEO-2، متشکل از لانتانیم (La)، ساماریوم (Sm)، یوروپیوم (Eu)، گادولینیم (Gd) و دیسپروزیم (Dy)، (LaSmEuGdDy) 0 شد. 4 O 3، به عنوان یک کاتالیزور نماینده برای بررسی دقیق.

در آزمایشات کاتالیزوری، HEO-2 تشکیل هیدروکربن C2 را در 525 درجه سانتیگراد (977 درجه فارنهایت) آغاز کرد، دمایی که به طور قابل توجهی کمتر از دمای مورد نیاز کاتالیزورهای قبلا بررسی شده بود. در دمای 600 درجه سانتیگراد (1112 درجه فارنهایت)، HEO-2 به بازده 12.3 درصدی C2 رسید.

محققان این فعالیت در دمای پایین را با پایه سطحی کاتالیزور مرتبط کردند. تجزیه و تحلیل آن‌ها نشان داد که مکان‌های با پایه متوسط، به جای قوی‌ترین سایت‌های پایه، برای OCM مطلوب‌تر هستند، زیرا باز بودن بیش از حد قوی می‌تواند باعث افزایش اکسیداسیون محصولات C2 یا جذب قوی CO2 شود.

نکته مهم این است که این تیم کشف کردند که پایه سطح را می توان به طور سیستماتیک از طریق متوسط ​​شعاع یونی عناصر لانتانوئیدی تشکیل دهنده تنظیم کرد.

HEO-2، با شعاع یونی متوسط ​​0.957 Å، دفع CO2 را عمدتا در محدوده 300-400 درجه سانتیگراد (572-752 درجه فارنهایت) نشان داد، که با سایت های نسبتا پایه موثر برای تولید C2 مرتبط است. پیکربندی با آنتروپی بالا HEO همچنین به نظر می‌رسد که این عملکردهای سطح فعال را تثبیت می‌کند.

این تثبیت به ویژه در طول عملیات طولانی مدت مشهود بود. در دمای 600 درجه سانتیگراد (1112 درجه فارنهایت)، HEO-2 بازدهی C2 را پس از 240 ساعت حفظ کرد که اساسا نسبت به عملکرد اولیه خود تغییری نکرده بود. نرخ غیرفعال‌سازی محاسبه‌شده آن 1.0 میلی‌مول C2 گرم cat -1 ساعت -2 بود که بیش از 25 برابر کمتر از اکسیدهای منفرد مربوطه بود.

تجزیه و تحلیل سطح نشان داد که سایت‌های نسبتا پایه به طور قابل‌توجهی پس از واکنش حفظ شدند، در حالی که HEO-2 نیز چارچوب پلی‌کریستالی نوع C خود را حفظ کرد. در مقابل، اکسیدهای منفرد یا تحت دگرگونی ساختاری قرار گرفتند یا به تدریج مکان‌های اصلی فعال خود را از دست دادند.

این یافته ها با هم نشان می دهد که چگونه آنتروپی ترکیبی به طور همزمان شیمی سطح را تنظیم می کند و ساختارهای کاتالیزور فعال را تثبیت می کند.

کاماتا نتیجه‌گیری می‌کند: «با تعیین میانگین شعاع یونی به‌عنوان توصیف‌کننده‌ای برای باز بودن سطح، مطالعه ما چارچوبی منطقی برای طراحی کاتالیزورهای اکسیداسیون انتخابی فراهم می‌کند که متان را در دماهای پایین‌تر با فعالیت پایدار تبدیل می‌کنند».

رنا تاکاهاشی و همکاران، کاتالیزورهای اکسید لانتانوئیدی با آنتروپی بالا برای جفت اکسیداتیو متان، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c15276

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →