במחקר שנערך לאחרונה, חוקרים מהמכון הטכנולוגי של טוקיו פיתחו זרז זאוליט דו-פונקציונלי חדש הממיר ביעילות מתאן ותחמוצת חנקן לכימיקלים בעלי ערך, ומציע שיטה בת קיימא וחסכונית יותר באנרגיה מאשר תהליכים מסורתיים. היכולת הייחודית של הזרז לייעל את ההתפלגות המרחבית של אתרי Cu וחומצה מאפשרת לו להפחית ביעילות את פליטת גזי חממה תוך הפקת פחמימנים שימושיים, העשויים להנחות מאמצי שחרור פחמן עתידיים בתעשייה הכימית.
חוקרים פיתחו זרז חדש שממיר מתאן לחומרים כימיים יקרי ערך באופן בר קיימא, מה שעשוי לקדם מאמצים להפחתת הפחמן של התעשייה הכימית.
מתאן, גז חממה חזק, ממלא תפקיד מכריע הן כמקור אנרגיה והן כחומר הזנה כימי חיוני. בדרך כלל, מתאן עובר המרה למתנול לפני הפיכתו לפחמימנים. תהליך זה, לעומת זאת, דורש מערכות תעשייתיות משוכללות. באופן מכריע, מכיוון שמתאן הוא מולקולה יציבה ביותר, המרתו למתנול באמצעות שיטות מסורתיות כמו רפורמת מתאן בקיטור היא עתירת אנרגיה.
על רקע זה, ההמרה הקטליטית של מתאן למתנול או כימיקלים אחרים משכה תשומת לב רבה מצד מדענים, אשר להוטים למצוא פתרונות יעילים יותר באנרגיה וברי קיימא. בין הזרזים שדווחו לאחרונה, זאוליטים המכילים נחושת (Cu) הראו הבטחה להמרת מתאן למתנול בתנאים מתונים. לרוע המזל, התשואה והסלקטיביות של רוב הזרזים המדווחים היו נמוכות, כלומר נוצרות כמויות גדולות של תוצרי לוואי לא רצויים לצד מתנול.
מחקר זה מספק דרכים חדשות להפוך מתאן ותחמוצת חנקן לחומרים בעלי ערך מוסף, התורמים להפחתת הפחמן של התעשייה הכימית. קרדיט: טוקיו טק
במחקר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבע, צוות מחקר הכולל פרופסור חבר טושיוקי יוקוי מהמכון הטכנולוגי של טוקיו, יפן, חקר סוג חדש של זרז זאוליט דו-פונקציונלי. מעניין, זאוליט זה המכיל Cu, המבוסס על אלומינוסיליקט, מסוגל להמיר מתאן ו חמצן דו חנקניגז חממה נוסף, ישירות לתוך תרכובות יקרות ערך באמצעות סדרה של תגובות ביניים.
אופטימיזציה של מבנה הזרז לתפוקה משופרת
אחת השאלות המרכזיות אליהן התייחסו החוקרים הייתה כיצד החלוקה המרחבית של אתרים פעילים שונים בזרז השפיעה על תפוקת התגובות. לשם כך, הם הכינו זרזים מרובים תוך שימוש לא רק בריכוזים שונים של Cu ו חוּמצָה אתרים (פרוטון) בתמיסות מימיות אך גם טכניקות ערבוב פיזיקליות שונות לדגימות מוצקות.
באמצעות טכניקות ניסוי ואנליטיות שונות, החוקרים מצאו שהקרבה בין Cu לאתרי חומצה חיונית לקביעת התוצרים הסופיים. ליתר דיוק, הם דיווחו שכאשר אתרי Cu היו קרובים זה לזה, למתנול המיוצר באתרי Cu מתאן הייתה סבירות גבוהה יותר להתחמצן יתר על ידי אתר Cu סמוך, ולהפוך אותו לפחמן דו חמצני. לעומת זאת, כאשר אתרי Cu ואתרי חומצה היו קרובים זה לזה, מתנול הגיב עם תחמוצת חנקן באתר חומצה סמוך במקום זאת כדי לייצר פחמימנים יקרי ערך וגז חנקן לא מזיק.
"הגענו למסקנה שלצורך ייצור יציב ויעיל של מתנול ובסופו של דבר פחמימנים שימושיים מהמתאן, יש צורך בפיזור אחיד של אתרי Cu ואתרי חומצה ושהם יהיו במרחק מתאים זה מזה", מסביר יוקוי. "מצאנו גם שהתפלגות המוצרים המתקבלים מושפעת גם מתכונות החומצה וממבנה הנקבוביות של זרז הזאוליט."
אחד היתרונות הבולטים של הזרז המוצע הוא יכולתו לקיים תגובות טנדם, כלומר תהליך פשוט הממזג מספר שלבים לאחד ומפטר שני גזי חממה מזיקים שונים בו זמנית. נכס זה יהיה המפתח להפיכת מערכות קטליטיות כאלה לאטרקטיביות בסביבה תעשייתית. "העבודה שלנו בתקווה תנחה מאמצים עתידיים להשיג חמצון מתאן למתנול ולפתוח דרכים לקידום סינתזת פחמימנים באמצעות מתנול כחומר ביניים", מסכם יוקוי.
עם קצת מזל, מחקר זה ישמש קפיצת מדרגה לקראת שחרור הפחמן של התעשייה הכימית, שיתרום להגשמת חברה ניטרלית פחמן.
המחקר מומן על ידי החברה היפנית לקידום המדע.
