MIT badacze opracowali nowy katalizator, który przekształca metan w polimery w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym.
Ta innowacja może zmniejszyć emisję metanu z rolnictwa i przemysłu energetycznego, zapewniając skalowalne rozwiązanie poprzez integrację enzymów i zeolitów w celu przekształcenia metanu najpierw w metanol, następnie w formaldehyd, a na koniec w przydatne polimery, takie jak mocznik-formaldehyd.
Innowacyjny rozwój katalizatorów na MIT
Metan, choć występujący w mniejszej ilości niż dwutlenek węgla, odgrywa znaczącą rolę w globalnym ociepleniu, ponieważ zatrzymuje znacznie więcej ciepła w atmosferze. Wynika to z jego unikalnej struktury molekularnej, co czyni go silnym gazem cieplarnianym.
Teraz inżynierowie chemicy z MIT opracowali przełomowy katalizator, który może przekształcić metan w cenne polimery, potencjalnie redukując szkodliwe emisje, tworząc jednocześnie użyteczne materiały.
„Co zrobić z metanem jest problemem od dawna” – wyjaśnia Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej w Carbon P. Dubbs na MIT i główny autor badania. „To źródło węgla i chcemy utrzymać go poza atmosferą, ale jednocześnie przekształcić go w coś użytecznego”.
Nowo zaprojektowany katalizator działa w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym. Ta funkcja może umożliwić łatwiejsze i bardziej opłacalne wdrożenie w miejscach produkujących metan, takich jak elektrownie i gospodarstwa hodowlane.
Badanie opublikowane 4 grudnia w Kataliza naturykierowali: doktor Daniel Lundberg ’24 i postdoc z MIT Jimin Kim, przy udziale byłego postdoktora Yu-Ming Tu i postdoktora Cody’ego Ritta.
Źródła metanu i ich skutki
Metan jest wytwarzany przez bakterie zwane metanogenami, które często występują w dużym stężeniu na wysypiskach śmieci, bagnach i innych miejscach rozkładającej się biomasy. Rolnictwo jest głównym źródłem metanu, a metan powstaje również jako produkt uboczny transportu, przechowywania i spalania gazu ziemnego. Ogólnie uważa się, że odpowiada za około 15 procent globalnego wzrostu temperatury.
Na poziomie molekularnym metan składa się z pojedynczego węgla atom związany z czterema atomami wodoru. Teoretycznie cząsteczka ta powinna być dobrym budulcem do wytwarzania użytecznych produktów, takich jak polimery. Jednak przekształcanie metanu w inne związki okazało się trudne, ponieważ doprowadzenie go do reakcji z innymi cząsteczkami zwykle wymaga wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia.
Hybrydowy katalizator konwersji metanu
Aby osiągnąć konwersję metanu bez wkładu energii, zespół MIT zaprojektował katalizator hybrydowy składający się z dwóch składników: zeolitu i naturalnie występującego enzymu. Zeolity to powszechnie występujące i niedrogie minerały ilaste, a wcześniejsze prace wykazały, że można je wykorzystać do katalizowania konwersji metanu do dwutlenku węgla.
W tym badaniu naukowcy wykorzystali zeolit zwany krzemianem glinu modyfikowanym żelazem w połączeniu z enzymem zwanym oksydazą alkoholową. Bakterie, grzyby i rośliny wykorzystują ten enzym do utleniania alkoholi.
Ten katalizator hybrydowy przeprowadza dwuetapową reakcję, w której zeolit przekształca metan w metanol, a następnie enzym przekształca metanol w formaldehyd. W wyniku tej reakcji powstaje również nadtlenek wodoru, który jest zawracany do zeolitu w celu zapewnienia źródła tlenu do konwersji metanu do metanolu.
Proces konwersji temperatury pokojowej
Ta seria reakcji może zachodzić w temperaturze pokojowej i nie wymaga wysokiego ciśnienia. Cząsteczki katalizatora zawieszone są w wodzie, która może absorbować metan z otaczającego powietrza. Naukowcy przewidują, że w przyszłych zastosowaniach będzie można go malować na powierzchniach.
„Inne systemy działają w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem i wykorzystują nadtlenek wodoru, który jest kosztowną substancją chemiczną, do napędzania utleniania metanu. Ale nasz enzym wytwarza nadtlenek wodoru z tlenu, więc myślę, że nasz system mógłby być bardzo opłacalny i skalowalny” – mówi Kim.
Stworzenie systemu zawierającego zarówno enzymy, jak i sztuczne katalizatory to „mądra strategia” – mówi Damien Debecker, profesor w Instytucie Materii Skondensowanej i Nanonauk na Uniwersytecie w Louvain w Belgii.
„Połączenie tych dwóch rodzin katalizatorów jest wyzwaniem, ponieważ zwykle działają one w dość odmiennych warunkach pracy. Uwalniając to ograniczenie i opanowując sztukę współpracy chemoenzymatycznej, kataliza hybrydowa staje się kluczem: otwiera nowe perspektywy w zakresie intensywniejszego uruchamiania złożonych układów reakcyjnych” – mówi Debecker, który nie był zaangażowany w badania.
Wytwarzanie polimerów
Po wytworzeniu formaldehydu naukowcy wykazali, że można wykorzystać tę cząsteczkę do wytworzenia polimerów poprzez dodanie mocznika – cząsteczki zawierającej azot występującej w moczu. Ten żywicopodobny polimer, znany jako mocznik-formaldehyd, jest obecnie stosowany w płytach wiórowych, tekstyliach i innych produktach.
Naukowcy przewidują, że katalizator ten można by włączyć do rur używanych do transportu gazu ziemnego. W tych rurach katalizator może wytwarzać polimer, który mógłby działać jako uszczelniacz naprawiający pęknięcia rur, które są częstym źródłem wycieków metanu. Katalizator można również zastosować jako warstwę do pokrycia powierzchni wystawionych na działanie metanu, tworząc polimery, które można by zebrać do wykorzystania w produkcji – twierdzą naukowcy.
Przyszłe kierunki rozwoju Catalyst
Laboratorium Strano pracuje obecnie nad katalizatorami, które można wykorzystać do usuwania dwutlenku węgla z atmosfery i łączenia go z azotanami w celu wytworzenia mocznika. Mocznik ten można następnie zmieszać z formaldehydem wytwarzanym przez katalizator zeolitowo-enzymowy w celu wytworzenia mocznikowo-formaldehydowego.
Odniesienie: „Wspólne wiązanie metanu w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem za pośrednictwem oksydazy alkoholowej i pary katalitycznej Fe-ZSM-5” Daniel J. Lundberg, Jimin Kim, Yu-Ming Tu, Cody L. Ritt i Michael S. Strano, 4 grudzień 2024, Kataliza natury.
DOI: 10.1038/s41929-024-01251-z
Badania zostały sfinansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i częściowo przeprowadzone przy wykorzystaniu narzędzi do charakteryzacji MIT.nano.
