Lassen Sie die Sonne zaubern! Revolutionärer, sonnenlichtbetriebener Katalysator verwandelt Methan in wertvolle Chemikalien
Diese Erkenntnis fördert nachhaltigere und effizientere Prozesse in der chemischen Industrie
In einer gemeinsamen Anstrengung mit Mitarbeitern des University College London haben Professor Zhengxiao GUO vom Fachbereich Chemie der Universität Hongkong (HKU) und Professor Junwang TANG, jetzt am Fachbereich Chemieingenieurwesen der Tsinghua-Universität, gemeinsam ein hochaktives und selektives katalytisches Material entwickelt, das Methan, ein starkes Treibhausgas, effizient und abfallfrei in Formaldehyd, eine wichtige Chemikalie, umwandeln kann.
Dieses innovative Material, das aus Wolframtrioxid (WO3-Katalysator ) gewonnen wird, verfügt über eine doppelte aktive Stelle, die aus Kupfer- und Wolframatomen besteht, die zusammenarbeiten, um einen effektiven und selektiven Umwandlungsprozess zu gewährleisten. Der Umwandlungsprozess kann unter sichtbarem Licht eine nahezu 100%ige Selektivität erreichen, wodurch unerwünschte Nebenprodukte vermieden und die Effizienz erhöht werden, was ihn zu einer umweltfreundlichen Alternative zu den derzeitigen Produktionsmethoden macht. Die Ergebnisse wurden soeben in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Ändern Sie das Unveränderte: Methanumwandlung
Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, ist eine weit verbreitete Kohlenstoffquelle für zahlreiche Chemikalien. Es ist jedoch auch ein starkes Treibhausgas, dessen Treibhauspotenzial mehr als 70 Mal so hoch ist wie das von Kohlendioxid. Die katalytische Umwandlung von Methan (d. h. die Umwandlung von Methan in andere Chemikalien) stellt daher eine enorme Chance dar, eine Netto-Null-Versorgung mit Energie und Chemikalien zu erreichen und gleichzeitig Umweltbelange zu berücksichtigen. Methan ist jedoch ein äußerst stabiles Molekül, das insbesondere unter milden oder Umgebungsbedingungen nicht aktiviert werden kann. Das Erreichen einer hohen Aktivität und Selektivität bei der Methanumwandlung ist daher eine große Herausforderung, und die selektive Aktivierung der intermolekularen Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung wird von vielen Chemikern als einer der schwer fassbaren "heiligen Grale" der Katalyse angesehen.
Formaldehyd hingegen ist eine Massenchemikalie mit einem Marktwert von 8 Mrd. USD und einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 5,7%. Es wird in Haushalts-, Gewerbe-, Luftfahrt-, Medizin- und Automobilprodukten verwendet und dient als wertvolles Vorprodukt für Melamin, Harnstoff-Formaldehyd und Phenolharze. Formaldehyd wird auch sicher bei der Herstellung von Impfstoffen, Antiinfektiva und Hartgelkapseln verwendet. Derzeit wird es durch Oxidation und Dehydrierung von Methanol unter Verwendung von Silber- oder Metalloxidkatalysatoren bei hohen Reaktortemperaturen von über 500-600°C hergestellt, was zu erheblichen Kohlendioxidemissionen und Energieverlusten führt.
Nutzung des Sonnenlichts zur Umwandlung von Methan
In ihrer Studie entdeckt das Team einen neuen Weg, Methangas mithilfe von Sonnenlicht in Formaldehyd umzuwandeln. Sie fanden heraus, dass eine Mischung aus atomar dispergiertem Kupfer und teilweise reduzierten Wolframarten über Wolframoxid sehr gut funktionierte - das synergistische Ensemble ermöglichte eine außergewöhnliche photokatalytische Umwandlung von Methan in Formaldehyd unter sichtbarem Umgebungslicht. Der Prozess wies eine Selektivität von nahezu 100 % und eine hohe Umwandlungseffizienz auf und übertraf damit deutlich die bisher gemeldeten Photokatalysatoren (mit einer Umschlagshäufigkeit, TOF = 8,5×106 μmol (HCHO)-g-1(Cokatalysator)-h-1).
Durch eine mechanistische Analyse fanden sie heraus, dass das Kupfer dazu beitrug, Elektronen zu bewegen und reaktive molekulare Spezies zu erzeugen, während das Wolfram zur Aktivierung des Methangases beitrug. Insbesondere fungierte das Kupfer als Elektronenakzeptor und förderte den photoinduzierten Elektronentransfer vom Leitungsband zu Dioxygen, wodurch reaktive Hydroperoxylradikale (HOO·) entstanden. Das benachbarte Wolframatom, das eine teilweise positive Ladung aufwies, fungierte als Lochakzeptor. Die bevorzugte Adsorptions- und Aktivierungsstelle von Wasser erzeugte Hydroxylradikale und aktivierte Methan effektiv zu Methylradikalen. Die Synergie der benachbarten dualen aktiven Stellen erhöht die Gesamteffizienz und Selektivität des Umwandlungsprozesses erheblich.
Diese Erkenntnis ebnet den Weg für die weitere Erforschung und Entwicklung neuer Photokatalysatoren für eine Vielzahl chemischer Umwandlungen und fördert nachhaltigere und effizientere Prozesse in der chemischen Industrie.
Die solare Umwandlung von Methan ist sowohl für kohlenstoffarme als auch für chemische Synthesen mit hoher Wertschöpfung äußerst wünschenswert. Der Schlüssel zum Erfolg sind jedoch Produktselektivität und Produktionseffizienz. Dies erfordert ein tiefgreifendes Verständnis des Umwandlungsmechanismus, eine sorgfältige Konzeption des Katalysators und ergänzende Techniken zur Bestätigung seiner Leistung - ein gutes Beispiel für multidisziplinäre Aufgaben, die ein starkes Engagement der Zusammenarbeit erfordern. Genau das hat das Team geschafft - mit einem sehr wertvollen Ergebnis", bemerkte Professor Zhengxiao GUO, einer der korrespondierenden Autoren der Studie.
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