Karen McNulty Walsh, Brookhaven Milli Laboratoriyası tərəfindən

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Mütəmadi olaraq düzülmüş molibden (mavi) və kükürd (sarı) atomlarından ibarət katalizator hidrogen peroksid (H2O2) parçalandıqda ayrılan hidroksil radikallarını (OH qrupları) necə təmizləyir. Bu hidroksil radikalları məhlulda metanla (göstərilməyib) qarşılıqlı təsir göstərir və güclü karbon-hidrogen bağlarını aşaraq maye metil peroksid və ya metanol əmələ gətirir. Müəllif: Brookhaven Milli Laboratoriyası

ABŞ Energetika Nazirliyinin (DOE) Brukhaven Milli Laboratoriyasının alimləri və onların əməkdaşları təbii qazın əsas komponenti olan metanı bir çox sənaye kimyəvi maddələri və yanacaqları üçün sələf olan maye kimyəvi maddələrə çevirmək üçün perspektivli yeni bir yanaşma nümayiş etdiriblər. Bu yaxınlarda Advanced Functional Materials jurnalında dərc olunmuş məqalədə təsvir edilən tədqiqat göstərir ki, yerlə zəngin sənaye katalizatoru olan molibden disulfidin (MoS2) 100°C-dən (212°F) aşağı temperaturda metanı metil peroksidə və digər maye oksigen birləşmələrinə selektiv şəkildə çevirmək üçün minimal tənzimləmə ilə necə _istifadə edilə bilər. Metil peroksid asanlıqla daşına bilən enerjiyə zəngin maye yanacaq olan metanolun hazırlanması üçün sələfdir.

Nəşrin müəllifi, Brookhaven Lab kimyaçısı Sanjaya Senanayake bildirib ki, “Bu katalizatorun yer üzündə bol miqdarda olan, yerli mənbədən əldə edilən bir material olması təbii qazı maye kimyəvi maddələrə çevirmək üçün oyunu dəyişdirə bilər. Katalizator metanol və digər geniş sənaye prosesləri üçün vacib prekursorların hazırlanmasında çox yüksək məhsuldarlıq və yüksək spesifiklik əldə edir.”

Layihə, Brookhaven Laboratoriyasının Kimya Bölməsindəki Kataliz: Reaktivlik və Struktur qrupunun metan çevrilmə katalizatorları və prosesləri hazırlamaq üçün uzunmüddətli strategiyasının bir hissəsidir. Bu qrupa həmmüəlliflər Senanayake, kimyaçı Juan Jiménez və tədqiqatçı Arephin Islam daxildir – hamısı yeni nəşrin həmmüəllifləridir.

Molibden disulfidi katalizatorun tərkibində kükürdün olması səbəbindən xüsusi maraq doğurur. Onun xam təbii qazda tez-tez rast gəlinən yüksək kükürd səviyyələrinə davamlı olması gözlənilir ki, bu da ənənəvi metan çevrilmə katalizatorlarını zəhərləyə bilər.

https://www.youtube.com/embed/U2ZPJjVcOmo?color=whiteKatalizator nədir? Stiven Farrell izah edir. Müəllif: David Rahner/Brookhaven Milli Laboratoriyası

Layihənin həmrəylərindən biri olan Ximénez bildirib ki, “ABŞ-da və beynəlxalq səviyyədə tapılan müxtəlif təbii qaz tərkiblərinin tam çeşidini idarə edə bilən müxtəlif materialların geniş portfeli hazırlayırıq. Hər quyunun fərqli qaz tərkibi var və hamısı fərqli katalitik sistemlər tələb edir”.

Tədqiqatın aparıcı müəllifi və Brookhaven Laboratoriyasının Milli Sinxrotron İşıq Mənbəyi II (NSLS-II) tədqiqatının Goldhaber Fərqlənən Tədqiqatçısı Stiven Farrell bildirib ki, bu növ “təbii qazda olan ‘təbii’dir. “Yerdən çıxardığımız şeylər üzərində nəzarətimiz yoxdur, amma ondan nə əldə etdiyimiz üzərində nəzarətə sahib olmaq istəyirik. Bu katalizator bizə enerji resurslarımızdan necə istifadə etdiyimizdə çox rahatlıq verir”, Farrell deyib.

Bu iş enerji elmində uzun müddətdir davam edən bir problemi həll edir: metanı daşına bilən maye məhsullara necə səmərəli şəkildə çevirmək olar. Metan bol və enerji ilə zəngin olsa da, genişmiqyaslı infrastruktura çıxış olmadan istifadəsi çətin və baha başa gəlir. Nəticədə, ucqar neft və qaz hasilatı sahələrində istehsal olunan metan tez-tez təhlükələri azaltmaq üçün havalandırılır və ya yandırılır. Həmin metanı asanlıqla daşına bilən mayeyə çevirmək üçün səmərəli bir proses bu resursun yığılmasına imkan verərdi.

Farrell bildirib ki, “Bu katalizator əsasən tullantıları və ya istifadəyə yararsızları tutur və istifadəyə yararlı edir”.Stiven Farrell, bərk molibden disulfid katalizatorunun üzərindən metan qazı ilə təzyiq altında dəmlənmiş maye hidrogen peroksid məhlulunu axıtmaqla “üç fazalı” reaktivləri bir araya gətirmək üçün hazırlanmış reaksiya kamerasına malikdir. Kameradakı şəffaf rentgen pəncərələri alimlərə Milli Sinxrotron İşıq Mənbəyi II-də reaksiyanı real vaxt rejimində izləmək üçün rentgen şüalarından istifadə etməyə imkan verdi. Mənbə: David Rahner/Brookhaven Milli Laboratoriyası

Katalizatorun çevrilməsini real vaxt rejimində izləmək

Reaksiya təəccüblü dərəcədə sadə görünür. 75°C (167°F) temperaturda suda metan və durulaşdırılmış hidrogen peroksid ilə birləşdirildikdə, MoS2 _katalizatoru metanı istənilən məhsul ailəsinə doğru tam selektivliklə maye oksigenlərə çevirdi. Onun aktivliyi palladium və ya rodium kimi qiymətli metallardan hazırlanmış daha bahalı metan çevirmə katalizatorları üçün bildirilən aktivliklə rəqabətədavamlıdır və bəzi hallarda bu göstəricini üstələyir.

“Biz hazır MoS2-ni götürdük _və çox kiçik bir emalla inanılmaz dərəcədə aktiv katalizator hazırladıq”, – deyə Ximénez bildirib. “İnanılmaz dərəcədə aktiv katalizator yaratmaq üçün mürəkkəb bir sintezə ehtiyacınız yoxdur.”

Lakin mürəkkəb alətlər, xüsusən də Brookhaven Laboratoriyasındakı DOE Elm Ofisinin istifadəçi obyekti olan NSLS-II-dəki şüa xətləri dəsti, alimlərin reaksiya baş verərkən katalizatorla nə baş verdiyini anlamaq qabiliyyətində əsas rol oynadı. Bu atom səviyyəsindəki anlayış, istehsalı sənaye istifadəsi üçün müvafiq səviyyələrə çatdırmaq səyləri üçün vacib olacaq.

Tədqiqatlar çətin idi, çünki reaksiya üç fərqli fazada olan materialları əhatə edir: qaz halında metan, bərk molibden disulfid və maye hidrogen peroksid məhlulu.

Farrell dedi: “Üçüsünün hamısını eyni sistemdə bir yerdə saxlamaq asan deyil. Bu, karbonatlaşdırılmış soda kimidir, burada reaktivlərinizi bir yerdə saxlamaq üçün metanı məhlula əlavə etməlisiniz.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Komanda, bu yaxınlarda iki NSLS-II şüa xəttində — Farrellin işlədiyi Daxili Qabıq Spektroskopiyası (ISS) şüa xəttində və Tender Enerji Spektroskopiyası (TES) şüa xəttində — qurulmuş təzyiqli reaksiya gəmilərinin içərisində atom səviyyəli təsiri izləmək üçün rentgen spektroskopiyasından istifadə etdi. Bu texnika və iki fərqli şüa xətti onlara üç fazalı reaksiya mühitində həm molibden, həm də kükürd atomlarının düzülüşünü və elektron xüsusiyyətlərini real vaxt rejimində izləməyə imkan verdi.

Sinxrotron tədqiqatlarına rəhbərlik edən Farrell bildirib ki, “Hər şüa xəttindəki rentgen şüaları bu elementlərin hər birini izləmək üçün lazım olan müəyyən bir enerjiyə uyğunlaşdırılıb”. NSLS-II həmmüəllifləri Axil Tayal, Xorxe Monkada, Eli Stavitski, AM Milinda Abeykoon və Dominik Verzbicki də bu tədqiqatlara töhfə veriblər. Farrell deyib: “Biz çox, çox kiçik atom diapazonlarına – sadəcə bir neçə qonşu atoma baxırıq”.

Bu cür dəyişikliklər yalnız reaksiyadan əvvəl və sonra katalizatoru araşdıran üsullarla aşkar edilə bilməzdi.

Spektroskopiya tədqiqatları göstərdi ki, reaksiya irəlilədikcə “molibden disulfid katalizatoru daha metal olur; onun elektronları daha hərəkətli olur və onlar daha çox qarşılıqlı təsir göstərmək istəyirlər”, Farrell dedi.

Bundan əlavə, komanda katalizatorun uzun mənzilli strukturunu — “bütün qonşuluğu”nu araşdırmaq üçün NSLS-II-nin Cüt Paylama Funksiyası (PDF) şüa xəttindən istifadə etdi, Farrell dedi.

Farrell dedi: “Katalizatorlara gəldikdə, onların zamanla sıradan çıxmasını və ya dəyişməsini istəmirik. Bu katalizatoru işlətdiyimiz zaman belə, “qonşuluğun” əvvəl və sonra eyni göründüyünü görmək xoşdur. Biz evləri sökmürük və ya əşyaları başqa yerə daşımırıq. Bu o deməkdir ki, katalizator möhkəm, möhkəm və təkrar istifadə edilə bilər.”

Radikal aktivləşmə

Əsas kəşflərdən biri hidrogen peroksidin (H2O2) oynadığı _mühüm rol _idi .

“Əvvəlcə biz peroksidin metanı metil peroksidə çevirmək üçün oksigen təmin edən oksidləşdirici kimi fəaliyyət göstərdiyini düşünürdük”, – deyə Ximenez bildirib. “Lakin Ames Milli Laboratoriyasında aparılan elektron paramaqnit rezonansı kimi bəzi mürəkkəb üsullardan istifadə edərək, peroksidin təbii şəkildə parçalanması zamanı əmələ gələn reaktiv -OH qrupları olan hidroksil radikallarının kimyanı idarə edən əsas aralıq məhsul olduğunu aşkar etdik.”

Jimenez izah etdi ki, hidroksil radikalları onları yüksək reaktiv hala gətirən və hər şeyə ayrı-seçkilik etmədən hücum edən sərbəst elektronlara malikdir. Lakin məlum oldu ki, MoS2 _{katalizatoru güclü bir antioksidantdır. OH radikallarını əmələ gətirir və təmizləyir və onları bu reaksiyada metan ( CH4} ) olan ən yaxın molekulla reaksiyaya girməyə məcbur edir . Oksigen təmin etməklə yanaşı, radikallar metanı aktivləşdirməyə və güclü karbon-hidrogen bağlarını parçalamağa kömək edən reaktiv elektronlar təmin edir.

“Bu iş göstərir ki, katalizatoru düzgün dizayn etsəniz, selektiv bir sistem əldə edirsiniz; radikalların reaktiv təbiətini idarə edə və onu istiqamətləndirə bilərsiniz”, – deyə Jimenez bildirib. “Onun hər şeyə hücum etməsi əvəzinə, onu yalnız tək bir məhsul yaratmağa yönəldirsiniz.”

Çoxsahəli əməkdaşlıq

Bu layihə ABŞ və Avropadakı bir çox qurumun təcrübə və bacarıqlarından istifadə etmişdir.

Brukhaven Milli Laboratoriyasının tədqiqatçıları kataliz tədqiqatlarına və qabaqcıl sinxrotron xarakteristikasına rəhbərlik ediblər. Energetika Nazirliyinin Ames Milli Laboratoriyası və Ayova Dövlət Universitetinin alimləri reaksiyada iştirak edən kritik radikal növləri müəyyən edən yerində maqnit rezonans ölçmələri aparıblar. Energetika Nazirliyinin Ouk Ric Milli Laboratoriyasının tədqiqatçıları katalizatorun struktur sabitliyini yoxlamağa kömək edən Raman spektroskopiyası tədqiqatları aparıblar. Kataloniya Politexnik Universiteti və Barselona Universitetinin tədqiqatçıları katalizatorun reaksiya şəraitində necə dəyişdiyini izah edən qabaqcıl mikroskopiya və nəzəri modelləşdirməyə töhfə veriblər. Əlavə töhfələr Kaliforniya Universiteti, Berkli və Nyu-York Universitetindən gəlib.

Tədqiqatçılar deyirlər ki, tapıntılar aşağı qiymət, kükürd tolerantlığı və yüksək aktivliyi birləşdirən yeni metan çevirmə katalizatorlarının dizaynı üçün zəmin yaradır. Energetika Nazirliyi adından Brookhaven Lab-ı idarə edən Brookhaven Science Associates şirkəti tərəfindən metan oksigenlərinə çevrilməsi üçün bu katalizatorun istifadəsini əhatə edən müvəqqəti patent müraciəti təqdim edilib.

Senanayake bildirib ki, “Məqsədimiz fundamental kimyanı praktik həllər yaratmaq üçün kifayət qədər yaxşı başa düşməkdir. Bu tədqiqat göstərir ki, yer üzündə zəngin materiallar reaksiya zamanı onların dinamik davranışından necə istifadə edəcəyimizi başa düşdükdə qiymətli metallarla rəqabət apara bilər.”

Nəşr detalları

Steven L. Farrell və digərləri, MoS2 _{Katalizatorları} Hidroksil Radikalları Vasitəsilə Metanın Birbaşa Çevrilməsindən Seçici Yolla Yüksək Maye Oksigenat Məhsuldarlığına Əldə Edir, Qabaqcıl Funksional Materiallar (2026). DOI: 10.1002/adfm.76526

Jurnal məlumatları: Qabaqcıl Funksional Materiallar 

Brookhaven Milli Laboratoriyası tərəfindən təmin edilir