化学家们一直在寻找有效的催化剂转化甲烷——丰富的天然气的重要组成部分,为甲醇,容易运输液体燃料和其他构件进行有价值的化学物质。
添加水的反应可以应对某些挑战,但它也使得这个过程变得复杂。现在一个团队在美国能源部布鲁克海文国家实验室发现了一种方法使用一种常见的工业催化剂,可以有效地完成转换,和没有水。研究结果,发表在美国化学学会杂志》上,建议改善催化剂无水的转换策略。
“水就像一个魔术,人们已经使用了很长一段时间得到这个反应,它肯定有帮助。它提高了选择性和艾滋病提取甲醇的能力,”布鲁克海文实验室的领袖Jose Rodriguez说催化组,曾兼职石溪大学任命的部门(单位)化学和材料科学与化学工程。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
如图所示在最近的这组的相关研究,加水使逃跑的反应将所需的产品,甲醇、一氧化碳(CO)和二氧化碳(有限公司2)。但加水也增加了复杂性和成本。另外,在温度和所需的数量这个反应,水存在的大量蒸汽,必须控制在一个工业设置。
布鲁克海文团队着手探索如果他们可以运行没有水通过改变催化剂的反应——物质,使反应物在一起,帮助引导他们沿着一个特定的反应途径。
催化转化
这篇论文描述了一个普通的铜-锌氧化物催化剂可以控制反应沿着不同的路径取决于水的存在。
“铜-锌氧化物催化剂是一个商业现成的,不要太贵的,“桑佳亚Senanayake说,这项研究的合著者之一。“我们想知道是否可能为methane-to-methanol转换工作”。
根据他们的研究结果,铜-锌氧化物有最好的任何催化剂的选择性检测这个反应没有添加水——大约30%。这意味着甲醇,将所需的产品(而不是公司或有限公司2),30%的产品反应没有水,当它运行。(运行时水、甲醇生产的铜-锌氧化物催化剂选择性80%。)
相比之下,这个反应的团队的早期研究用氧化铈催化剂生产几乎没有甲醇没有水。
“重大挑战之一的甲醇合成反应的存在只是甲烷和氧(无水)氧化过度——甲醇的转化成一氧化碳和二氧化碳,”研究的共同作者平Liu表示。她指出的早期研究铈催化剂水如何帮助阻止透露,氧化过度的甲醇生产才可以进一步转变。
找出了铜-锌催化剂达到80 30%,特异性和没有水,分别,团队使用各种技术,进行了详细的研究工作与理论计算揭示反应机理的关键细节。
x射线研究
“两个单位的研究生,伊万·奥罗斯科和冯主任和我们的一个博士后,Zongyuan刘,曾与Slavomir Nemšak,长期合作者,在先进的光源(ALS)——美国能源部科学办公室用户设备在劳伦斯伯克利国家实验室,发现甲醇在催化剂的表面,形成“欧洲杯线上买球Senanayake说。”技术,称为“环境压力x射线光电发射光谱(XPS),“使用ALS的明亮的x射线束检测碳、氢、氧和金属氧组合催化剂的活性区域的反应。
科学家们研究了样品在不同反应条件下。他们不同的甲烷、氧气和水(包括没有水),以及压力和温度——跟踪化学物种参加反应的不同阶段。
“每个化合物都有一个独特的化学指纹图谱”,我们可以看到这些反应物转变成中间体和最终产物在不同条件下,“罗德里格斯说。
XPS指纹清晰地表明,甲醇形成。但找出哪些网站催化剂参与反应,团队转向理论建模。
模拟原子相互作用
团队用扫描隧道显微镜在布鲁克海文化学系研究原子水平结构的催化剂,然后使用这些结构细节构建计算模型的原子安排。
“有许多不同的活动地点在催化剂的表面,”刘说。理解这些网站和决定是否以及如何与反应物和产物相互作用,另一个业务单位的研究生——黄Erwei——刘跑”密度泛函理论(DFT)计算和动力学建模计算集群布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心(CFN)和国家能源研究科学计算中心在劳伦斯伯克利国家实验室(·)。欧洲杯足球竞彩
DFT计算确定反应物(甲烷、氧气和水)成为他们相互作用的催化剂,以及需要多少能量从一个原子排列。动力学建模尝试了所有可能的路径的转换在反应条件下发生。
这种技术允许团队识别的结合最节能的(因此最有可能)路径对甲烷转化为甲醇和没有水。结果包括催化网站涉及到的细节和中间体应该出席在不同阶段的反应。团队然后验证这些催化反应和中间体在ALS与“化学指纹”测量。
途径改善
在一起,表明反应所得的数据沿着两个不同的途径包括copper-zinc-oxide催化剂的两个不同的网站——一个用于与水的反应,一个没有水的反应。
“活动网站的特定配置与水的反应是不同的配置没有水,和机制是不同的,也几乎是两个不同的过程,”罗德里格斯说。
但在这两种情况下,甚至没有水,“甲醇和催化剂之间的绑定是强大到足以允许甲醇形成从甲烷,但疲软足以使甲醇脱落前表面气体进一步氧化有限公司或公司2”,刘说。
“一旦甲醇进入气相你可以压缩整个事情然后分离液体甲醇,”罗德里格斯说。
快速“解吸”的甲醇催化剂的表面,使甲醇进一步反应的氧气,也消除了一个可能具有爆炸性的步骤。
团队已经使用他们的新知识的反应机制,寻找进一步提高催化剂的方法。他们的目标是实现选择性至少60 - 70%的无水。
“原子水平的理解是更先进的比我们以前过。我们知道原子的原子,铜锌氧化物首选无水反应条件要好得多,“Senanayake说。
在下一步中,DFT计算和动力学建模将开始测试其他作品,旨在进一步提高甲烷转化率和甲醇选择性。
“我们将使用这个理论来缩小候选人基于机械的理解从先前的研究,获得的”刘说。“实验就做的合成和表征研究,看看这些其他成分的工作。”
这项研究是由美国能源部科学办公室。欧洲杯线上买球肌萎缩性侧索硬化症,CFN·能源部科学办公室用户设备。欧洲杯线上买球
来源:https://www.bnl.gov/world/