Dans l'avancement des solutions énergétiques durables, une équipe de scientifiques collaborative internationale a atteint une étape importante dans la conversion chimique à faible teneur en carbone. Dans leur publication récente dans Naturel'équipe a découvert une approche photocatalytique pour convertir le méthane en éthanol avec une sélectivité élevée d'environ 80% et un taux de conversion de méthane de 2,3% en une seule exécution à l'aide d'un réacteur à flux à lit emballé.
Le système réalise une efficacité quantique apparente impressionnante (AQE) de 9,4%, ce qui mesure l'efficacité à quel point il convertit efficacement les photons incidents en électrons qui participent à la réaction dans des conditions de longueur d'onde spécifiques.
Le groupe était dirigé par les professeurs Zhengxiao Guo du Département de chimie de l'Université de Hong Kong (HKU), Weixin Huang de l'Université des sciences et de la technologie de Chine, Richard Catlow de l'Université College London et Junwang Tang de l'Université Tsinghua.
L'éthanol est bien connu pour spirer de nombreuses occasions de célébration, mais, plus important encore, elle sert de porte-argent à hydrogène liquide idéal et d'une matière première chimique pour un large éventail d'applications vers la neutralité du carbone.
Le marché mondial de l'éthanol dépasse 100 milliards USD, avec un taux de croissance annuel composé actuel (TCAC) d'environ 7%. Le méthane, le principal constituant du gaz naturel et de schiste, est souvent brûlé pour le chauffage. Malgré son potentiel en tant que source de carbone pour la synthèse chimique, son inertie chimique inhérente pose des obstacles substantiels à sa conversion efficace.
La conversion traditionnelle du méthane industriel est généralement effectuée via Syngas à des températures et des pressions élevées, un processus qui est à forte intensité d'énergie et présente une mauvaise sélectivité des produits. Les efforts pour convertir directement le méthane en éthanol rencontrent souvent des défis dans le contrôle du couplage carbone-carbone (C – C) très sélectif pour produire un C spécifique2+ chimique, comme l'éthanol.
La conversion efficace est obtenue grâce à une jonction intra-moléculaire unique formée entre des unités alternatives de benzène et de triazine dans un polymère de cadre de triazine covalent (CTF-1). La jonction intra-moléculaire améliore la durée de vie et la séparation efficace des charges générées par photo tout en permettant une adsorption préférentielle de O2 et h2O aux unités de benzène et de triazine, respectivement, pour faciliter le couplage C – C.
De plus, cette caractéristique intrinsèquement asymétrique à double site déliline efficacement les sites de couplage C – C des sites de formation de radicaux hydroxyles, atténuant ainsi le risque de suroxydation de l'intermédiaire en CO2 et l'eau. Lorsqu'il est encore amélioré par l'ajout de PT, le photocatalyseur de jonction intramoléculaire démontre un taux de production d'éthanol très prometteur, comme indiqué ci-dessus.
« Il s'agit d'une progression de pas dans la conversion photocatalytique du méthane en produits chimiques verts à valeur ajoutée – non seulement en termes de couplage c – c, mais aussi en transformant le méthane en métal en un produits chimiques liquides beaucoup plus désirable, en termes d'efficacité dans les conditions ambiantes, » Profitro
Conventionnellement, comme dans la synthèse de Fischer-Tropsch, la conversion du méthane en produits chimiques liquides nécessite une température élevée (> 700 ° C) et une pression (∼ 20 bar) pour activer sa liaison C – H, impliquant une entrée d'énergie élevée et plusieurs étapes. Tentatives précédentes dans la conversion photocatalytique du méthane en C2+ Le produit a souvent rencontré une faible sélectivité et / ou une faible efficacité, en raison des capacités limitées des catalyseurs spécifiques. Le catalyseur CTF-1 nouvellement développé montre une efficacité quantique plus de 20 fois plus élevée ainsi qu'une sélectivité très élevée.
Le méthane est un gaz abondant mais potentiel climatique. Sa conversion photocatalytique en une étape représente une approche hautement souhaitable pour décarbonisation des industries chimiques et du carburant. En particulier sous forme liquide, l'éthanol est beaucoup plus facile à stocker, à transporter et à distribuer, par rapport à l'hydrogène gazeux. Il peut être directement réformé à bord des véhicules à faible teneur en carbone – sur le terrain, en mer ou dans les airs, offrant un grand potentiel pour les applications dans le transport urbain, l'expédition et la prochaine économie à basse altitude, ouvrant ainsi la voie à la neutralité du carbone.
