Przebieg całego procesu został zarejestrowany dzięki instrumentowi VISION w Oak Ridge National Laboratory. Proponowana przez badaczy metoda, opisana na łamach Nature Materials, zachodzi przy ciągłym przepływie przez materiał fotokatalityczny wykorzystujący światło widzialne do napędzania pożądanej konwersji. W ten sposób możliwe jest przekształcanie gazu w postaci metanu w płynny metanol.
Przekształcanie metanu w metanol, czyli jak znaleźć Świętego Graala katalizy
Cały proces zaczyna się od wody nasyconej metanem i tlenem, która przepływa przez katalizator MOF (Metal-Organic Framework). Ten jest porowaty i zawiera różne składniki, która pomagają w absorbowaniu światła, przenoszeniu elektronów oraz aktywacji i łączeniu metanu i tlenu. Sam metanol, który ma ciekłą formę, może być łatwo absorbowany z wody. Osiągnięcie naukowców jest tak istotne, że określa się je mianem świętego Graala katalizy.
Metan, choć możliwy do wykorzystania w formie paliwa, jest również szkodliwy dla środowiska, ponieważ jest jednym z gazów wzmagających proces globalnego ocieplenia. Z tego względu w świecie nauki od dawana wiedziano o konieczności znalezienia taniego i wydajnego sposobu na przekształcanie tego gazu w metanol, który jest pożądanym i wszechstronnym surowcem. Poza samą możliwością jego pozyskania pojawia się oczywiście druga korzyść, czyli zdolność do łatwego usuwania szkodliwego dla otoczenia metanu.
Metanol jest przy tym bardziej uniwersalnym źródłem energii i łatwiej się go transportuje. Wykorzystuje się go w wielu różnych dziedzinach, na przykład do produkcji rozpuszczalników, środków zapobiegających zamarzaniu i tworzyw akrylowych, tkanin i włókien syntetycznych, klejów, farb i sklejek czy środków chemicznych na rzecz farmacji i rolnictwa. W grę wchodzi nawet przekształcanie metanu w wysokowartościowe paliwo, takie jak metanol. W tym przypadku kluczowy jest wspomniany katalizator MOF oraz światło widzialne, dzięki którym może zachodzić konwersja.
Liczne korzyści płynące z nowych odkryć
Woda nasycona metanem i tlenem jest przepuszczana przez warstwę granulek MOF przy jednoczesnej ekspozycji na światło. Jak wyjaśniają członkowie zespołu odpowiedzialnego za badania w tej sprawie, opisywany proces jest w 100% selektywny. Oznacza to, że nie występują w nim niepożądane produkty uboczne. Stały katalizator może być natomiast wyizolowany, umyty, wysuszony i ponownie wykorzystany na przestrzeni 10 kolejnych cykli lub w trakcie 200 godzin reakcji. Nie odnotowano w tym okresie żadnego spadku wydajności.
Usuwając konieczność stosowania wysokiej temperatury lub ciśnienia w zachodzeniu tego procesu oraz wykorzystując energię ze światła słonecznego do napędzania procesu fotoutleniania, naukowcy dostarczają światu metodę konwersji, która mogłaby zapewnić znacznie niższe od dotychczasowych koszty. Wzrost tempa zachodzenia tego procesu oraz jego zdolność do przekształcania metanu w metanol bez niepożądanych produktów ubocznych powinny znacząco przyczynić się do konwersji tego gazu cieplarnianego. Jak dodaje Martin Schröder z Uniwersytetu w Manchesterze, MOF może ułatwić zachodzenie innych rodzajów reakcji chemicznych, służąc jako rodzaj probówki, w której można połączyć różne substancje, aby zobaczyć, jak będą ze sobą reagowały.