İyi bir başlangıç! Zhejiang Üniversitesi'nin ilk "Bilimi" burada
Metan, nispeten bol rezervleri ve düşük fiyatı ile doğal gaz ve şeyl gazının ana bileşenidir. Metanol, katma değeri yüksek ve uygulama değeri yüksek, temel kimyasalların üretilmesi için önemli bir platform molekülüdür. Bu iki "A soyadlı kardeş", birinin üretim avantajları ve diğerinin ürün avantajları vardır.Bilim adamları her zaman iki kardeş arasında bir köprü kurmak istemişlerdir, ancak metanolün aşırı aktif "karakteri" onu seçici aktivasyon ve hedefli dönüşüm haline getirmektedir. Dünya çapında sorunlar.
3 yıldan fazla süren yoğun araştırmalardan sonra, Zhejiang Üniversitesi'nden Profesör Fengshou Xiao ve Araştırmacı Wang Liang'ın ekibi, metanı 70 hafif koşullar altında yüksek verimlilikle metanole dönüştürebilen bir dizi "moleküler çit" heterojen katalizör sistemi inşa ettiler. Metanol seçiciliği% 17,3'te şu anda en yüksek seviye olan% 92'ye ulaşır.
Bu araştırma, 10 Ocak'ta Pekin saatiyle en iyi uluslararası dergi "Science" tarafından çevrimiçi olarak yayınlandı. Zhejiang Üniversitesi'nden 2016 Doktora öğrencisi Jin Zhu, makalenin ilk yazarıdır. Zhejiang Üniversitesi'nden Profesör Fengshou Xiao ve Araştırmacı Wang Liang, makalenin ilgili yazarlarıdır. Zhejiang Üniversitesi, bu makalenin tek iletişim birimidir.
Ağıldan ilham alın
Hidrojen ve oksijen, genellikle hidrojen peroksit olarak bilinen hidrojen peroksit oluşturmak için reaksiyona girer ve daha sonra metanolu oluşturmak için bir katalizör aracılığıyla metanla reaksiyona girer. Bu, ders kitabına yerleştirilen kimyasal bir formüldür, ancak deneyde hazırlanması çok zordur. Bu araştırma grubu tarafından yıllarca süren araştırmalardan sonra, metan dönüşüm oranının bundan önce% 3'ü aşması zordu. Bunun nedeni, "yaramaz" hidrojen peroksit bir kez oluştuğunda, hızla kaçacak ve metanla tam olarak reaksiyona girmeden seyreltilecek olmasıdır. Ek olarak, "aktif" metanol, hidrojen peroksit ile reaksiyona girmek için metan ile rekabet edecektir.
Genel olarak endüstriyel metanol, kömür kimya endüstrisinden hazırlanır ve olefin ve aromatiklerin sentezinde kullanılabilir. Önemli bir platform molekülü olan metanol, temel organik hammaddelerden biridir ve kimya endüstrisinde çok önemli bir konuma sahiptir. Örneğin, bir temizlik ve yağ giderme ajanı, bir büyüme destekleyici ve ayrıca pestisit ve ilaç hammaddesi olarak kullanılabilir.Çok önemli noktalardan biri, metanolün "kimya endüstrisinin anası" olarak bilinen etilen ve propilen üretiminde kullanılabilmesidir.
Metan-metanol reaksiyonundan bahsetmişken, reaksiyonun düşük verimliliği sorunu o yıllarda yatmaktadır.Bilim adamları verimliliği artırmak için çeşitli yollar düşünüyorlar, ancak kardeşlerle hiçbir ilgisi yok.
Bükülmüş kavun tatlı değil, ne yapmalıyım?
Xiao Fengshou ve Wang Liangın ekibi, yaramaz hidrojen peroksidin nasıl kilitleneceği perspektifinden araştırmaya başladı. Sürülerin çitin içinden kaçamayacağı kırsal kesimdeki koyun ağıllarını düşünürler. "Neden hidrojen peroksiti kapatmak için reaksiyona bir çit eklemeye çalışmıyorsunuz." Xiao Fengshou bunun çok gösterişli bir fikir olduğunu söyledi ve deneyi başlattılar ve kısa sürede başarılı oldular.
Yaptıkları moleküler çit çok ama çok küçük, kalınlığı sadece moleküler ölçekte ve kapalı alan sadece birkaç yüz nanometredir.Zeolit kristalinin yüzeyi bir hidrofobik uzun zincirli alkan tabakası ile boyanmıştır. "Uzun zincirli alkanları bir 'moleküler çit' olarak kullanıyoruz, böylece hidrofilik hidrojen peroksit katalizör içinde yer alıyor ve yayılamıyor." Wang Liang, hidrojen, oksijen ve metan hala reaksiyon bölgesine girebilirken tanıtıldı. Metanol oluşturulduktan sonra, hızla tükenebilir ve reaksiyon için metan ile rekabet etmez.
Öyle bir "moleküler çit" tabakası ki deneyde, hidrojen peroksitin zenginleştirme konsantrasyonu 10.000 katına ulaştı, böylece metan oksidasyon reaksiyonu hızlandı. Wang Liang muhabire bir benzetme yaptı: Nemi sıkıca kilitlemek için yüz maskesi uygulamak gibi, ama burada "hidrojen peroksit" var.
Katalizörün hidrojen peroksit molekülleri üzerindeki çit etkisi, zeolit kristalleri (üstte) içinde yüksek konsantrasyonda hidrojen peroksit oluşmasına neden olur. Sıradan katalizörlerin çit etkisi yoktur ve hidrojen peroksit hızla seyreltilir (altta).
Tasarım modeli olarak yumurta alın
Science dergisinden isimsiz bir yorumcu, bu çalışmanın çok zorlu bir katalitik reaksiyon için reaksiyon aşamalarına uyan bir "moleküler çit" katalizörü tasarladığını belirtti.
Bu yapının güzelliği nedir? Birkaç yüz nanometre moleküler elek kristalinin reaksiyon bölgesinde, bilimsel araştırma ekibi hala "salyangoz kabuğunda bir dojo yapıyor". Xiao Fengshou'nun sözleriyle, tüm yapı bir yumurta gibidir: "Metal katalizör yumurta sarısı, zeolit moleküler elek yumurta beyazı ve moleküler çit yumurta kabuğu."
A-C: Moleküler çit katalizörünün şematik ve TEM fotoğrafları; dış katmanın mavi kısmı hidrofobik katmanı, içteki kırmızı top metal nanopartikülleri temsil eder ve gri kısım zeolit çerçeveyi temsil eder. D-F: Yaygın olarak desteklenen bir katalizörün şematik diyagramı ve TEM fotoğrafı
Xiao Fengshou ve Wang Liang ekipleri, katalizörün tasarımına büyük önem verdiler. Tıpkı yumurtanın beyazının yumurta sarısını sarması gibi, metal nanopartikül katalitik merkezini sıkıca sarmak için zeolit moleküler elekler kullandılar, bu da içindeki metal katalitik merkezini stabilize ediyor ve artık etrafta koşup bir araya gelmeyecek. Bu zeolit moleküler elek, arıtma katalizörünün çok önemli bir üyesidir, reaksiyona girmesi gereken moleküllerin bir elek gibi "geçişini" sağlayabilir ve diğer istenmeyen maddeleri bloke edebilir.
Xiao Fengshou, geçtiğimiz on yıllık çalışmasında kendini "yumurta sarısını" "yumurta beyazına" daha verimli ve yeşil bir şekilde nasıl yerleştireceğine kendini adamıştır. Araştırmacılar, özel bir işlemle, katalitik olarak aktif nanopartikülleri zeolit moleküler eleğe yerleştirebilir, bu da katalizörü daha kararlı hale getirebilir, böylece verimlilik en üst düzeye çıkarılabilir. Yüksek verimli olmasının yanı sıra, bu katalizörün hazırlanmasında daha yeşildir, çünkü kirliliğe neden olmayan solvent içermeyen bir yöntemle sentezliyoruz. Geleneksel hidrotermal sentezin aksine, bazı moleküler elekler sentezlenen ton başına 100 ton atık su bile üretebilir. . "
Araştırma ekibi, zeolit moleküler elekler üzerinde yapılan çok sayıda deney yoluyla katalizörün "kıvamını" adım adım çözdü. Muhabir laboratuvarda masanın üzerinde düz tüp reaktörler olduğunu gördü. Xiao Fengshou gazetecilere şunları söyledi: "Laboratuvarımızda 3.000 reaktör var. Etkili bir yolu hızlı bir şekilde bulmak için birim zamanda mümkün olduğunca çok deney yapmak için kurt taktikleri kullanıyoruz."
Şeyl gazı ve deniz dibindeki yanıcı buzun daha da gelişmesiyle birlikte metan, başta karbon kaynakları olmak üzere tüm enerji sisteminde giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. Xiao Fengshou, gelecekteki uygulamalar için temel ilkelerden büyük ölçekli uygulamalara gitmek için hala uzun bir yol olduğunu söyledi ve "Metanın metanole katma değerinin artmasıyla, gelecekte birçok olasılık olacak."
Bu araştırma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Mükemmel Gençlik Projesi, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı Anahtar Ar-Ge Programı Projeleri ve Shell Uluslararası İşbirliği Projesi'nin temel projeleri tarafından finanse edildi. Deneyin bir kısmına Shanxi Üniversitesi'nden Profesör Yang Hengquan'ın araştırma grubu yardımcı oldu.
(Başlangıçta "İyi bir başlangıç! Zhejiang Üniversitesi Yeni Yıl'ın ilk" Bilim "başlığı altında!" Editör Hong Huimin
