Американские исследователи нашли способ перерабатывать отработанный метан в ценное жидкое топливо с использованием доступного катализатора. Катализатор был получен на основе дисульфида молибдена, который широко распространен в природе.
Евгения Васильева
Стив Фаррелл, доктор философии, научный сотрудник Goldhaber в Программе спектроскопии NSLS-II, держит реакционную камеру. Источник: Дэвид Ранер / Брукхейвенская национальная лаборатория
Группа ученых из США создала недорогой катализатор, устойчивый к сере. Он способен превращать отработанный метан в жидкие химические вещества и топливо, которые легко транспортировать и которые имеют высокую ценность.
Работа проводилась в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE). Главный акцент был сделан на изучении дисульфида молибдена (MoS₂) — промышленного катализатора, который встречается в природе повсеместно.
Как утверждают авторы, этот метод может быть адаптирован с минимальными изменениями для селективного преобразования метана в перекись метила и жидкие кислородсодержащие соединения при температуре ниже 100 градусов Цельсия. Перекись метила служит сырьем для получения метанола, который является высокоэнергетическим жидким топливом.
Доктор философии Санджая Сенанаяке, научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории и автор работы, отметил, что этот катализатор способен коренным образом изменить подход к конверсии природного газа в жидкие химикаты.
«Катализатор демонстрирует очень высокие показатели выхода и специфичности при производстве ключевых прекурсоров для метанола и других промышленных процессов», — добавил он.
Недорогой катализатор для топлива
Для транспортировки метана с отдаленных нефтегазовых месторождений требуется дорогая инфраструктура. Поэтому производители часто выбрасывают излишки метана в воздух или сжигают их, что приводит к потере ценного ресурса и увеличивает выбросы парниковых газов.
Однако сотрудники Брукхейвенской лаборатории полагают, что их катализатор может улавливать этот метан и превращать его в жидкие химикаты, которые можно перевозить. «Катализатор позволяет захватывать то, что считается отходами или непригодным для использования, и делает это сырье полезным», — заявил доктор философии Стив Фаррелл, стипендиат программы спектроскопии NSLS-II в Брукхейвенской лаборатории.
В их методе используется легкодоступный дисульфид молибдена, который требует лишь минимальной подготовки перед применением. По своим рабочим характеристикам он не уступает, а в ряде случаев превосходит гораздо более дорогие аналоги.
Особое значение устойчивость катализатора к сере имеет для газовых месторождений с высоким содержанием сероводорода. Обычные катализаторы на основе благородных металлов быстро отравляются сернистыми соединениями, теряя активность в течение нескольких часов работы. MoS₂, напротив, сам является сульфидным соединением, поэтому сера не только не вредит ему, но и может стабилизировать его кристаллическую решётку.
Это означает, что предварительная очистка газа от серы — дорогостоящий этап, требующий дополнительных установок и реагентов, — становится излишней. Прямая переработка неочищенного природного газа существенно удешевляет весь процесс и делает его доступным для небольших добывающих компаний.
Доктор философии Хуан Хименес, научный сотрудник лаборатории и соавтор исследования, отметил, что состав природного газа различается в разных скважинах. «Мы разрабатываем широкий спектр различных материалов, которые могут работать с природным газом любого состава, добываемым в США и других странах», — добавил он.
Стивен Фаррелл, Хуан Хименес и Санджая Сенанаяке на линии внутренней оболочечной спектроскопии (Inner Shell Spectroscopy, ISS) Национального источника синхротронного излучения II.
Фото: Дэвид Ранер / Брукхейвенская национальная лаборатория
Наблюдения в реальном времени
Чтобы понять, как работает катализатор, команда обратилась к нескольким линиям ускорителей Национального синхротронного источника света II в Брукхейвенской лаборатории. Современная рентгеновская спектроскопия позволила им отслеживать изменения в атомной структуре катализатора во время химической реакции.
Реакция оказалась удивительно простой. При взаимодействии с метаном и разбавленной перекисью водорода в воде при 75 °C катализатор превращал метан в жидкие оксигенаты с полной селективностью в отношении нужного набора продуктов.
По производительности он не уступал, а иногда и превосходил более дорогие катализаторы для конверсии метана, изготовленные из палладия или родия. «Мы взяли готовый MoS₂ и с помощью совсем небольшой обработки создали невероятно активный катализатор, — говорит Хименес. — Для получения высокоактивного катализатора не требуется сложный синтез».
Дальнейшие испытания показали, что катализатор в процессе работы становится более металлическим. Это позволяет его электронам свободно перемещаться и участвовать в реакции. При этом он сохраняет стабильную кристаллическую структуру, что указывает на его долговечность и возможность многократного использования.
Команда также выяснила, что гидроксильные радикалы, образующиеся при естественном распаде перекиси водорода, играют ключевую роль в разрыве прочных углерод-водородных связей метана. Вместо того чтобы позволять этим высокореактивным радикалам бессистемно атаковать молекулы, катализатор направляет их на получение только одного желаемого продукта.
По мнению ученых, полученные результаты могут привести к созданию более дешевых катализаторов для переработки метана, устойчивых к воздействию серы. Brookhaven Science Associates уже подала заявку на предварительный патент на использование этого катализатора. Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Перспективы разработки
Полученные результаты открывают новые перспективы для децентрализованной переработки природного газа. Вместо строительства дорогостоящих трубопроводов или криогенных установок для сжижения метана, операторы небольших месторождений смогут развернуть компактные химические реакторы прямо на месте добычи.
Катализатор на основе дисульфида молибдена эффективно работает при 75 °C и атмосферном давлении, что исключает необходимость в энергоёмких процессах нагрева или сжатия. Это особенно важно для удалённых арктических регионов или морских платформ, где каждый киловатт энергии на счету. Полученную перекись метила можно без труда перевозить в обычных стальных цистернах, а затем на нефтехимических заводах превращать в метанол или другие ценные продукты.
Промышленная адаптация технологии не потребует кардинальной перестройки существующих производственных цепочек. Дисульфид молибдена — это распространённое соединение, которое уже десятилетиями используется в качестве смазочного материала и компонента катализаторов гидроочистки.
Его массовое производство налажено во многих странах, а стоимость в десятки раз ниже, чем у катализаторов на основе палладия или платины. Единственная предварительная обработка — лёгкое измельчение и активация в водно-перекисной среде — не требует специального оборудования и может быть выполнена непосредственно на нефтехимическом предприятии. Таким образом, барьер для внедрения новой технологии оказывается минимальным.
Преимущества разработки и новые этапы исследований
Долгосрочные экономические выгоды выходят далеко за рамки снижения капитальных затрат. Сокращение сжигания попутного газа на факелах — одна из ключевых целей международных климатических соглашений. Ежегодно в мире добывается около 1,4 триллиона кубометров природного газа, из которых не менее 150 миллиардов сжигается или выбрасывается в атмосферу.
Превращение этих отходов в жидкое топливо позволяет не только уменьшить выбросы парниковых газов, но и получить дополнительный источник дохода. По оценкам аналитиков, даже при нынешней цене метанола около 400 долларов за тонну, улавливание и переработка метана с одного среднего месторождения может приносить до 50 миллионов долларов чистой прибыли в год.
Учёные Брукхейвенской лаборатории уже планируют следующие этапы исследований. Основное внимание будет уделено масштабированию процесса — от лабораторного реактора с расходом 10 граммов катализатора до пилотной установки производительностью несколько тонн жидких продуктов в сутки.
Параллельно ведётся поиск модификаторов, способных повысить селективность катализатора для получения более ценных химических веществ — формальдегида или уксусной кислоты. Если эти работы увенчаются успехом, дисульфид молибдена может стать основой для целого семейства промышленных катализаторов, превращающих природный газ из источника загрязнения в сырьё для зелёной химии будущего.