Въпреки че е по-рядко срещан от въглеродния диоксид, метанът допринася непропорционално много за глобалното затопляне, тъй като заради своята молекулярната структура задържа повече топлина в атмосферата, отколкото въглеродният диоксид, пише EurekAlert.

Инженерите-химици от Масачузетския технологичен институт (МТИ) са разработили нов катализатор, който превръща метана в полезни полимери, което може да помогне за намаляване на емисиите на парникови газове.

„Въпросът „Какво да правим с метана?“ стои на дневен ред от много години“, казва Майкъл Страно, професор по химично инженерство в Масачузетския технологичен институт (МТИ) и главен автор на изследването. „Той е източник на въглерод и ние искаме хем да го задържим извън атмосферата, хем да го превърнем в нещо полезно.“

Новият катализатор работи при стайна температура и атмосферно налягане, което би могло да улесни и направи по-икономично внедряването му на местата за производство на метан, като електроцентрали и обори за добитък.

Д-р Даниел Лундберг '24 и постдокторантът от МТИ Джимин Ким са водещите автори на изследването, което излиза днес в Nature Catalysis. Бившият докторант Ю-Минг Ту и докторантът Коди Рит също са автори на статията.

Улавяне на метан

Метанът се произвежда от бактерии, известни като метаногени, които често са силно концентрирани в сметища, блата и други места с разлагаща се биомаса. Селското стопанство е основен източник на метан, а метанът се образува и като страничен продукт при транспортирането, съхранението и изгарянето на природен газ. Смята се, че като цяло той допринася за около 15 % от повишаването на глобалната температура.

На молекулярно ниво метанът се състои от един въглероден атом, свързан с четири водородни атома. На теория тази молекула би трябвало да е добър градивен елемент за създаване на полезни продукти, като например полимери. Превръщането на метана в други съединения обаче се оказва трудно, тъй като за да се получи реакция с други молекули, обикновено са необходими висока температура и високо налягане.

За да се постигне преобразуване на метана без този разход на енергия, екипът на МИТ е разработил хибриден катализатор с два компонента: зеолит и естествено срещащ се ензим. Зеолитите са широко разпространени, евтини глинести минерали и предишна работа е установила, че те могат да се използват за катализиране на превръщането на метан във въглероден диоксид.

В това изследване изследователите използват зеолит, наречен модифициран с желязо алуминиев силикат, в съчетание с ензим, наречен алкохолоксидаза. Бактериите, гъбите и растенията използват този ензим, за да окисляват алкохолите.

Този хибриден катализатор извършва двуетапна реакция, при която зеолитът превръща метана в метанол, а след това ензимът преобразува метанола във формалдехид. При тази реакция се получава и водороден пероксид, който се връща обратно в зеолита, за да осигури източник на кислород за превръщането на метана в метанол.

Тази поредица от реакции може да се осъществи при стайна температура и не изисква високо налягане. Частиците на катализатора са суспендирани във вода, която може да абсорбира метана от околния въздух. По отношение на бъдещи приложения изследователите предвиждат, че те биха могли да се нанасят върху повърхности.

„Други системи работят при висока температура и високо налягане и използват водороден пероксид, който е скъп химикал, за да стимулират окислението на метана. Но нашият ензим произвежда водороден пероксид от кислород, така че мисля, че нашата система може да бъде много рентабилна и мащабируема“, казва Ким.

Строителни полимери

След като се получи формалдехид, изследователите могат да използват тази молекула за генериране на полимери чрез добавяне на урея - азотсъдържаща молекула, която се серща в урината. Този подобен на смола полимер, известен като карбамид-формалдехид, сега се използва в плочи от дървесни частици, текстил и други продукти.

Изследователите предвиждат, че този катализатор може да се вгради в тръби, използвани за пренос на природен газ. В тези тръби катализаторът би могъл да генерира полимер, който да действа като уплътнител за заздравяване на пукнатини в тръбите, които са често срещан източник на изтичане на метан. Катализаторът може да се прилага и като филм за покриване на повърхности, които са изложени на въздействието на метан, като се получават полимери, които могат да се събират за използване в производството, казват изследователите.

Лабораторията на Страно сега работи върху катализатори, които биха могли да се използват за отстраняване на въглеродния диоксид от атмосферата и комбинирането му с нитрат за производство на карбамид. След това този карбамид може да се смеси с формалдехида, произведен от зеолит-ензимния катализатор, за да се получи карбамид-формалдехид.

Изследването е финансирано от Министерството на енергетиката на САЩ.