Nový katalyzátor promění metan v užitečné polymery

Ačkoli je metan méně hojný než oxid uhličitý, přispívá k globálnímu oteplování neúměrně, protože díky své molekulární struktuře zachycuje více tepla v atmosféře.

Chemičtí inženýři z MIT nyní navrhli nový katalyzátor, který dokáže přeměnit metan na užitečné polymery, což by mohlo pomoci snížit emise skleníkových plynů.

„Co dělat s metanem, byl dlouhodobý problém,“ říká Michael Strano, profesor chemického inženýrství na MIT a hlavní autor studie. „Je to zdroj uhlíku a chceme ho udržet mimo atmosféru, ale také ho proměnit v něco užitečného.“

Nový katalyzátor funguje při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku, což by mohlo usnadnit a zefektivnit jeho nasazení v místech produkce metanu, jako jsou elektrárny a kravské stáje.

Daniel Lundberg PhD '24 a postdoktorand MIT Jimin Kim jsou hlavními autory studie, která vyšla dnes v Nature Catalysis. Bývalý postdoktorand Yu-Ming Tu a postdoktorand Cody Ritt jsou také autory článku.

Zachycování metanu

Metan je produkován bakteriemi zvanými metanogeny, které se často vyskytují ve vysoké koncentraci na skládkách odpadu, v bažinách a dalších místech rozkládající se biomasy. Zemědělství je hlavním zdrojem metanu a metan se také tvoří jako vedlejší produkt dopravy, skladování a spalování zemního plynu. Celkově se předpokládá, že je odpovědný za přibližně 15 procent globálního zvýšení teploty.

Na molekulární úrovni se metan skládá z jediného atomu uhlíku vázaného ke čtyřem atomům vodíku. Teoreticky by tato molekula měla být dobrým stavebním kamenem pro výrobu užitečných produktů, jako jsou polymery. Nicméně, přeměna metanu na jiné sloučeniny se ukázala jako obtížná, protože k jeho reakci s jinými molekulami obvykle vyžaduje vysoké teploty a vysoké tlaky.

Aby dosáhli konverze metanu bez tohoto energetického vstupu, MIT tým navrhl hybridní katalyzátor se dvěma složkami: zeolitem a přirozeně se vyskytujícím enzymem. Zeolity jsou hojné, levné jílovité minerály a předchozí práce zjistily, že je lze použít k katalyzování přeměny metanu na oxid uhličitý.

V této studii výzkumníci použili zeolit zvaný železem modifikovaný hlinitokřemičitan, spárovaný s enzymem zvaným alkohol oxidáza. Bakterie, houby a rostliny používají tento enzym k oxidaci alkoholů.

Tento hybridní katalyzátor provádí dvoustupňovou reakci, při které zeolit přeměňuje metan na methanol a poté enzym přeměňuje methanol na formaldehyd. Tato reakce také generuje peroxid vodíku, který se vrací zpět do zeolitu, aby poskytl zdroj kyslíku pro přeměnu metanu na methanol.

Tato série reakcí může probíhat při pokojové teplotě a nevyžaduje vysoký tlak. Částice katalyzátoru jsou suspendovány ve vodě, která může absorbovat metan z okolního vzduchu. Pro budoucí aplikace výzkumníci předpokládají, že by se mohl natírat na povrchy.

„Jiné systémy pracují při vysoké teplotě a vysokém tlaku a používají peroxid vodíku, což je drahá chemikálie, k pohonu oxidace metanu. Ale náš enzym produkuje peroxid vodíku z kyslíku, takže si myslím, že náš systém by mohl být velmi nákladově efektivní a škálovatelný,“ říká Kim.

Vytvoření systému, který zahrnuje jak enzymy, tak umělé katalyzátory, je „chytrá strategie“, říká Damien Debecker, profesor na Institutu kondenzované hmoty a nanosciences na univerzitě v Louvain, Belgie.

„Kombinace těchto dvou rodin katalyzátorů je náročná, protože mají tendenci pracovat v poněkud odlišných provozních podmínkách. Odemknutím tohoto omezení a zvládnutím umění chemo-enzymatické spolupráce se hybridní katalýza stává klíčovou: otevírá nové perspektivy pro provozování komplexních reakčních systémů intenzivnějším způsobem,“ říká Debecker, který se na výzkumu nepodílel.

Vytváření polymerů

Jakmile je formaldehyd vyroben, výzkumníci ukázali, že mohou použít tuto molekulu k generování polymerů přidáním močoviny, molekuly obsahující dusík, která se nachází v moči. Tento pryskyřičný polymer, známý jako močovino-formaldehyd, se nyní používá v dřevotřísce, textilech a dalších produktech.

Výzkumníci předpokládají, že tento katalyzátor by mohl být zabudován do potrubí používaných k přepravě zemního plynu. V těchto potrubích by katalyzátor mohl generovat polymer, který by mohl sloužit jako těsnicí prostředek k opravě trhlin v potrubí, které jsou běžným zdrojem úniku metanu. Katalyzátor by se také mohl aplikovat jako film na povrchy vystavené metanu, čímž by se vytvářely polymery, které by se daly sbírat pro použití ve výrobě, říkají výzkumníci.

Stranova laboratoř nyní pracuje na katalyzátorech, které by se daly použít k odstranění oxidu uhličitého z atmosféry a jeho kombinaci s dusičnanem za vzniku močoviny. Tato močovina by se pak mohla smíchat s formaldehydem vyrobeným zeolito-enzymovým katalyzátorem za vzniku močoviny-formaldehydu.

Výzkum byl financován ministerstvem energetiky USA.