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| Científicos de la Universidad de Manchester han desarrollado el "santo grial de la catálisis", un método rápido y económico para convertir el metano, o gas natural, en metanol líquido a temperatura y presión ambiente. Crédito: ORNL/Jill Hemman |
El gas natural, compuesto principalmente por metano, tiene una densidad energética relativamente baja en condiciones ambientales. La oxidación parcial del metano en metanol eleva la densidad energética e impulsa la producción de numerosos productos químicos. Un equipo internacional de investigadores, dirigido por científicos de la Universidad de Manchester, ha desarrollado un método rápido y económico para convertir el metano, o gas natural, en metanol líquido a temperatura y presión ambiente.
Los científicos utilizaron luz visible para impulsar la conversión en flujo continuo sobre un material fotocatalítico. Mediante la dispersión de neutrones en el instrumento VISION, observaron el funcionamiento del proceso y su selectividad.
El método consiste en un flujo continuo de agua saturada de metano/oxígeno sobre un novedoso catalizador de marco metálico-orgánico (MOF). Los distintos componentes del MOF desempeñan un papel en la absorción de la luz, la transferencia de electrones y la activación y unión del metano y el oxígeno. El metanol líquido se extrae fácilmente del agua. Este proceso se ha considerado comúnmente como "el santo grial de la catálisis".
La dificultad de debilitar o romper el enlace químico carbono-hidrógeno (C-H) para introducir átomos de oxígeno (O) y formar un enlace C-OH ha sido un gran obstáculo en la conversión del metano (CH4) en metanol (CH3OH). El reformado con vapor y la oxidación del gas de síntesis suelen ser las dos fases de los procesos convencionales de conversión del metano, que necesitan altas temperaturas y presiones y son intensivos en energía, caros e ineficaces.
El nuevo proceso desarrollado es rápido y económico. Utiliza un material MOF multicomponente y luz visible para impulsar la conversión. Mientras se expone a la luz, una capa de gránulos de MOF se hace pasar por un flujo de agua saturada de CH4 y O2. El MOF se compone de varios elementos diseñados que se colocan de forma fija dentro de la superestructura porosa. Juntos, absorben la luz para crear electrones, que luego se transfieren al oxígeno y al metano dentro de los poros para crear metanol.
Sihai Yang, catedrático de química de Manchester y autor correspondiente, declaró:
"Para simplificar enormemente el proceso, cuando el gas metano se expone al material funcional MOF que contiene sitios monohidróxilos, las moléculas de oxígeno activadas y la energía de la luz promueven la activación del enlace C-H del metano para formar metanol. El proceso es 100% selectivo -lo que significa que no hay ningún subproducto indeseable- comparable con la monooxigenasa de metano, que es la enzima en la naturaleza para este proceso".
Las investigaciones demostraron que no hay pérdida de rendimiento cuando el catalizador sólido se aísla, se limpia, se seca y se reutiliza durante al menos diez ciclos, es decir, unas 200 horas de reacción.
El novedoso método fotocatalítico es comparable a la forma en que las plantas utilizan la fotosíntesis para transformar la energía luminosa en energía química. A través de sus hojas, las plantas toman dióxido de carbono y luz solar. Posteriormente, estas sustancias se transforman en azúcares, oxígeno y vapor de agua mediante un proceso fotocatalítico.
Martin Schröder, vicepresidente y decano de la facultad de ciencias e ingeniería de Manchester y autor correspondiente, dijo: "Este proceso ha sido calificado como el 'santo grial de la catálisis'. En lugar de quemar metano, puede ser posible convertir el gas directamente en metanol. Este producto químico de alto valor puede utilizarse para producir biocombustibles, disolventes, plaguicidas y aditivos de combustible para vehículos. Este nuevo material MOF también puede facilitar otros tipos de reacciones químicas al servir como una especie de tubo de ensayo en el que podemos combinar diferentes sustancias para ver cómo reaccionan."
Yongqiang Cheng, científico del instrumento en la Dirección de Ciencias de Neutrones del ORNL, dijo: "El uso de la dispersión de neutrones para tomar 'fotos' en el instrumento VISION confirmó inicialmente las fuertes interacciones entre el CH4 y los sitios de monohidróxido en el MOF que debilitan los enlaces C-H."
Aníbal "Timmy" Ramírez Cuesta, que dirige el Grupo de Espectroscopia Química del SNS, dijo: "VISION es un espectrómetro vibracional de neutrones de alto rendimiento optimizado para proporcionar información sobre la estructura molecular, los enlaces químicos y las interacciones intermoleculares. Las moléculas de metano producen fuertes y características señales de dispersión de neutrones de su rotación y vibración, que también son sensibles al entorno local. Esto nos permite revelar las interacciones de debilitamiento de los enlaces entre el CH4 y el MOF de forma inequívoca con técnicas avanzadas de espectroscopia de neutrones".
El nuevo método de conversión podría reducir sustancialmente los costes de equipamiento y funcionamiento al eliminar la necesidad de altas temperaturas o presiones y utilizar la energía de la luz solar para impulsar el proceso de fotooxidación. La mayor velocidad del proceso y su capacidad para convertir el metano en metanol sin subproductos indeseables facilitará el desarrollo de un procesamiento en línea que minimice los costes.
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: ORNL
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