技术创新

麻省理工学院开发治理浪费甲烷的新方法

时间:2018-05-15 点击:21 字号:

麻省理工学院化学教授Yogesh Surendranath和三位同事已经找到了一种利用可能来自可再生能源的电力将甲烷转化成甲醇衍生物的方法。研究人员开发了一种低温电化学工艺,可不断补充可快速进行转化的催化剂材料。

em麻省理工学院的科学家们开发了一种新的方法来利用浪费的甲烷,这可以帮助抑制有效的温室气体的不必要的“燃烧”。 / em

沼气是一种巨大的自然资源,通常通过燃烧来处理,但麻省理工学院的科学家的新研究可以更容易地捕获这种气体作为燃料或化学原料。

许多油井将天然气的最大组成部分 - 甲烷燃烧掉,这个过程称为燃烧过程,目前每年造成1500亿立方米天然气的浪费,并产生了4亿吨二氧化碳,这使得这一过程成为重要的贡献者。地球暖化。但是,让天然气逸出不会燃烧会导致更大的环境危害,因为甲烷是一种比二氧化碳更有效的温室气体。

为什么所有这些甲烷都被浪费掉了?同时,随着世界远离化石燃料,天然气被吹捧为重要的“桥梁”燃料,并且是所谓的页岩气革命的核心?正如俗话所说,房地产业的答案很简单:地点,位置,地点。

甲烷燃烧的井主要用于石油开采;甲烷只是一种副产品。在方便的地方,甲烷被捕获并用于发电或生产化学品。然而,需要专门的设备来冷却和加压甲烷气体,需要特殊的压力容器或管道来运输它。在许多地方,例如远离所需基础设施的海上石油平台或远程油田,这在经济上不可行。

但现在,麻省理工学院化学教授Yogesh Surendranath和三位同事已经找到了一种利用可能来自可再生能源的电力将甲烷转化为甲醇衍生物的方法,甲醇衍生物可以制成汽车燃料或用作汽车燃料的前体各种化工产品。这种新方法可能允许在偏远地点进行低成本甲烷转化。 “中央科学杂志”(ACS Central Science)中描述的这些发现可以为利用重大的甲烷供应铺平道路,否则这些供应将被完全浪费。

“这一发现打开了甲烷转化化学新范式的大门,”北卡罗来纳大学化学助理教授Jillian Dempsey说,他没有参与这项工作。

将甲烷转化为液体中间化学形式的现有工业过程需要非常高的操作温度和大型资本密集型设备。相反,研究人员开发了一种低温电化学工艺,可不断补充可快速进行转化的催化剂材料。这项技术有可能导致“现有井口作业的现场成本相对较低,”麻省理工学院化学系Paul M. Cook职业发展助理教授Surendranath说。

他说,为这些系统提供动力的电力可能来自靠近现场的风力涡轮机或太阳能电池板。他说,这种电化学过程可以提供一种方法来进行甲烷转化 - 这一过程也被称为功能化 - “远程的,那里有很多'滞留'的甲烷储备。”

他说,“甲烷已经成为过渡燃料的关键角色。”但他说,这种现在刚刚燃烧的有价值的燃料的数量“非常惊人”。大量的天然气浪费甚至可以可以在夜间在地球的卫星图像中看到,例如北达科他州的巴肯油田,这些油田由于燃烧而与明亮的大都市区一样明亮。根据世界银行的估计,全球甲烷燃烧浪费量相当于美国天然气消费量的约五分之一。

Surendranath说,当这种气体被燃烧而不是直接释放时,“你正在减少对环境的危害,但你也在浪费能源。”寻找一种以足够低的成本进行甲烷转化的方法,以使其适用于远程“几十年来,它一直是化学领域的一大挑战,”他说。甲烷转化如此艰难的原因是甲烷分子中的碳 - 氢键抵抗被破坏,同时存在过度反应的风险并最终导致破坏所需最终产物的失控过程。

可以完成这项工作的催化剂已经研究了很多年,但他们通常需要苛刻的化学试剂来限制反应速度,他说。关键的新进展是增加了一种可以精确调整的电力驱动力,以产生更高效的反应速率更高的催化剂。 Surendranath说:“由于我们正在使用电力来推动这一过程,因此这为开发新工艺提供了比现有方法更快速,更具选择性和便携性的新机会。”此外,“我们可以获得之前没有人观察到的催化剂,因为我们正在以新的方式生成它们。”

反应的结果是一对液体化学品,甲基硫酸氢盐和甲磺酸,它们可以进一步加工成液体甲醇,这是一种有价值的化学中间体,可用于燃料,塑料和药物。制造甲醇所需的额外加工步骤仍然非常具有挑战性,并且在该技术可以在工业规模上实施之前必须完善。研究人员正在积极完善他们的方法来解决这些技术障碍。

“这项工作非常突出,因为它不仅报道了甲烷选择性催化功能化甲醇前体的新系统,而且还详细介绍了系统如何实现这种选择性化学反应。机械信息将有助于将这一令人兴奋的发现转化为工业技术,“Dempsey说。

该研究小组包括麻省理工学院化学系博士后Matthew O'Reilly和博士生Rebecca Soyoung Kim和Seokjoon Oh。这项工作得到了意大利能源公司Eni S.p.A.通过MIT Energy Initiative的支持。

出版物:Matthew E. O'Reilly等人,“通过电化高价Pd中间体进行催化甲烷单官能化”,ACS分会。科学,2017; DOI:10.1021 / acscentsci.7b00342

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

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