در پرتو جنبش زباله به ثروت، فناوری تبدیل گازهای گلخانه‌ای به مواد با ارزش افزوده در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. یکی از این فناوری‌ها، تبدیل کاتالیزوری متان به متانول، حلال صنعتی و ماده خام برای سنتز شیمیایی است. فرآیند صنعتی برای تبدیل متان به متانول بسیار انرژی و منابع فشرده است. در دهه گذشته، دانشمندان چندین سیستم کاتالیزوری را توسعه داده اند که می تواند اکسیداسیون مستقیم متان به متانول را امکان پذیر کند. با این حال، بیشتر آنها بر اساس فلزات نادر و گران قیمت انتقالی یا نجیب هستند.
در یک مطالعه اخیر، گروهی از محققین به رهبری دانشیار توشیوکی یوکوی و از جمله استادیار پیپی شیائو، هر دو از واحد کاتالیزور نانوفضای موسسه تحقیقات نوآورانه در موسسه فناوری توکیو، ژاپن، راه حلی برای مشکل موجود پیدا کردند. به شکل زئولیت فریریت آلومینوسیلیکات بدون فلز انتقالی (FER). FER یک زئولیت 2 بعدی با کانال های 8 حلقه ای و کانال های 10 حلقه ای متقاطع است که در برابر عملیات شیمیایی و حرارتی بسیار پایدار است. یوکوی و تیمش با بهره گیری از این ویژگی ساختاری منحصر به فرد، برای اولین بار اکسیداسیون مستقیم متان به متانول را با استفاده از اکسید نیتروژن به عنوان منبع اکسیژن نشان دادند. یافته های این مطالعه در تاریخ 1 آوریل 2024 به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفت و در 10 آوریل 2024 در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.
زئولیت‌های تبادلی فلزات انتقالی به طور گسترده در سیستم‌های واکنش فاز گاز و مایع مورد استفاده قرار گرفته‌اند. گزارش شده است که چنین بخش‌هایی دارای مکان‌های فعالی هستند که از سیستم‌های آنزیمی بیوکاتالیستی طبیعی الهام گرفته شده‌اند. در حالی که کاتالیزورهای با بارگذاری فلزات واسطه بسیار محبوب هستند، کاتالیزورهای زئولیت تنها از عناصر گروه اصلی برای اکسیداسیون مستقیم متان به متانول تشکیل شده است، ناشناخته باقی مانده است.
برای بدست آوردن تصویر واضحی از مکان‌های فعال در کاتالیزور زئولیت، این تیم طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی را انجام دادند. آزمایش‌ها آل تتراهماهنگ تحریف شده را در چارچوب و آل پنج هماهنگی را در چارچوب اضافی تشکیل‌شده در طی فرآیندهای فعال‌سازی، تکلیس و واکنش نشان دادند. این ساختارها به عنوان مراکز فعال بالقوه تأسیس شدند. این تیم همچنین مسیر واکنش احتمالی را با کمک طیف های FTIR جذب اکسید نیتروژن و مشاهده عملکرد واکنش تحت اکسیدان های مختلف بررسی کردند. آنها دریافتند که این فرآیند با جذب اکسید نیتروژن در سایت های فعال Al و تشکیل ” α -O” که منجر به آزاد شدن نیتروژن می شود، آغاز شد. این امر با جذب متان در سایت‌های فعال ” α -O” و شکستن پیوندهای C-H دنبال شد. پس از شکستن پیوند، متانول از طریق دفع و پس از بازیابی گونه فعال Al به دست آمد.
فرآیند اکسیداسیون مستقیم کاتالیز شده با زئولیت بدون فلز انتقالی، نرخ تولید متانول 305 میکرومول گرم در دقیقه و 1 دقیقه با متانول 89 درصد و گزینش پذیری 10 درصد دی متیل اتر را فعال کرد ، بنابراین ، یکی از بالاترین عملکردهای گزارش شده در ادبیات را ثبت کرد. حتی بهتر از بسیاری از کاتالیزورهای بارگذاری شده با فلزات واسطه.
«یافته‌های ما راه کاملاً جدیدی را برای توسعه اکسیداسیون مستقیم متان به متانول در زئولیت‌های آلومینوسیلیکات بدون فلزات واسطه باز می‌کند، بنابراین امکان استفاده از متان و اکسید نیتروژن برای سایر مواد شیمیایی مفید روی زئولیت‌های آلومینوسیلیکات با ساختارهای توپولوژیکی متفاوت را فراهم می‌کند. یوکوی، با تشریح پیامدهای زندگی واقعی تحقیقات خود، اضافه می کند.
به طور کلی، استراتژی جدید پیشنهاد شده در این مطالعه می‌تواند با کاهش میزان گازهای گلخانه‌ای در حال گردش در جو و افزودن به اقتصاد با تسهیل سنتز مواد شیمیایی ارزشمند از مواد خام ناخواسته، تأثیرات زیست‌محیطی مثبتی ایجاد کند
Materials provided by Tokyo Institute of Technology. Note: Content may be edited for style and length.
