Quando si tratta di gas naturale, non devi non avermi familiari e oggi nessuna famiglia può cucinare senza di essa. Il componente principale del gas naturale è il metano, che è uno dei composti di idrocarburi più semplici. L'accelerazione dello sviluppo e dell'utilizzo del metano è la chiave per realizzare lo sviluppo verde e sostenibile dell'industria energetica e chimica. Oltre al suo uso diretto come combustibile, il metano può anche essere usato come risorsa C1, ovvero una molecola che contiene un atomo di carbonio e può continuare a convertire per preparare sostanze chimiche ad alto valore aggiunto, come metanolo, metanolo acido e così via. Il metano può essere bruciato in ossigeno per formare acqua e anidride carbonica. Senza combustione, è possibile attivare e convertire i legami idrocarburi di molecole di metano in condizioni lievi? La risposta è si! Questa è la reazione del "santo graal" nel campo della catalisi. Le reazioni associate al "santo graal" sono spesso estremamente impegnative, in quanto potrebbero dover essere eseguite in condizioni molto difficili, oppure potrebbero aver bisogno di superare le difficoltà intrinseche di una reazione chimica, come l'attivazione di composti altamente stabili, bassi rese e bassa selettività. Queste sfide rendono difficile realizzare queste reazioni, ma se possono essere raggiunte con successo, porteranno a importanti scoperte nella ricerca scientifica e nelle applicazioni industriali.
1.Callegne nella conversione del metano a basse temperature È molto difficile convertire il metano direttamente in altre sostanze chimiche utili con ossigeno economico a basse temperature o persino a temperatura ambiente, perché? Diamo un'occhiata alla natura del metano e dell'ossigeno. La struttura chimica del metano contiene quattro identici legami di carbonio-idrogeno (CH) che formano una configurazione ortotetraedrica altamente simmetrica e ogni legame CH3-H del metano ha un'energia di legame fino a 435 kJ/mol. Possiamo pensare al legame CH del metano come a una primavera particolarmente forte. Questa primavera è molto tesa e richiede molta forza per allungare. In chimica, questa "forza" è l'energia necessaria per rompere il legame CH. Questa elevata energia di legame rende il CH di Metano in legame termodinamicamente stabile e molto difficile da abbattere o reagire in condizioni normali. D'altra parte, nelle reazioni chimiche, i gruppi reattivi sono generalmente generati sotto interazione polare (l'interazione polare è il fenomeno che una molecola ha un'estremità positiva positivamente e l'altra carica negativamente), mentre la struttura simmetrica e la natura non polare Dalla generazione di tale polarità (secondo la configurazione molecolare, una molecola con un piano di simmetria non ha polarità) e non può fornire gruppi reattivi. Pertanto, l'attivazione e la conversione del metano sono molto impegnative e di solito richiedono condizioni dure come alte temperature (600-1100 ° C) o alcuni "estremofili" come acidi super-pessimi e radicali liberi per aiutare l'attivazione del metano. Pertanto, la principale difficoltà a realizzare l'attivazione a bassa temperatura di metano e ossigeno sta nel modo di attivare il legame CH del metano, cioè come allungare la "primavera" nel legame CH. 2.Il miracolo del catalizzatore Gli scienziati hanno trovato una buona soluzione a questo problema e hanno scelto di utilizzare un catalizzatore per aiutare a attivare il metano a basse temperature (un catalizzatore è una sostanza chimica che non cambia prima o dopo una reazione, ma accelera la reazione alterando la quantità minima di energia che deve essere iniettata affinché la reazione abbia luogo). Nel 2023, la catalisi naturale del diario riportato sul processo di raggiungimento della conversione diretta del metano con ossigeno in ossidi C1 (metanolo (CH3OH), acido formico (HCOOH) e metilen glicole (Hoch2OH)) usando uno specifico molibdeno disolfuro (MOS2) catalizzatore a 25 ° C. Una conversione di metano del 4,2% e quasi il 100% di ossigenati di C1 è stata raggiunta trasformando metano e ossigeno in preziosi ossigenati C1 in condizioni ambientali. Questo MOS2 è l'unico catalizzatore riportato finora che può realizzare la conversione della temperatura ambiente di metano e ossigeno. Ciò è dovuto alla geometria unica e alla struttura elettronica del sito MO sul bordo del MOS2. Questo sito MO ha un'alta attività di attivazione nei confronti dell'ossigeno in un ambiente acquoso, formando la magica specie O = Mo = O*. Questa specie rende più facile il legame di carbonio-idrogeno da rompere e riduce l'energia di attivazione del legame CH del metano, aumentando così notevolmente la reattività del metano e realizzando così l'attivazione a bassa temperatura di metano e ossigeno. Questa scoperta porterà più possibilità per l'utilizzo dell'energia futura e la protezione ambientale, oltre a darci una comprensione più profonda del ruolo straordinario di catalizzatori e ausiliari.
3. Significato strategico significativo dell'attivazione a bassa temperatura del metano Realizzare la conversione catalitica diretta di metano e ossigeno a temperatura ambiente e convertire il metano in gas naturale in altre sostanze chimiche utili, può migliorare notevolmente il tasso di utilizzo del gas naturale, ridurre i rifiuti e proteggere meglio l'ambiente e realizzare lo sviluppo sostenibile dell'energia . In secondo luogo, come gas serra, il metano è secondo solo per l'anidride carbonica nel suo contributo al riscaldamento globale. Se il metano può essere convertito in altre sostanze, può aiutarci a ridurre l'emissione di inquinanti atmosferici (ad es. Ossidi di carbonio, ossidi di azoto, ossidi di zolfo, idrocarburi e composti di etere) e alleviare la pressione del riscaldamento globale.
