Loading

Химия парниковых газов

Создано 22.12.2010 05:34
Автор: Евгений

Лаборатория Ливию М. МирикаВ результате полного сгорания ископаемого топлива выделяются конечные продукты – углекислый газ и вода. На сегодняшний день углекислый газ является побочным продуктом, отходом, идущим в воздух, внося свою лепту в глобальное потепление, или в океаны, – окисляя их, или под землю – с еще пока неизвестными последствиями. Но, по словам Ливию М. Мирика, доктора философии, адьюнкт-профессора химии в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, вполне возможно изменить существующую схему, превращая углекислый газ в топливо, такое как метанол или углеводороды.

До сегодняшнего дня обращение процессов горения было делом невыгодным, так как превращение углекислого газа в топливо использует больше энергии, чем выделяет горение, и производит больше углекислого газа, чем потребляет. Но Мирика считает, что это можно изменить при помощи катализаторов.

Чтобы избежать загрязнения, химия углеводорода может предоставить способы создания цикла с нейтральным уровнем эмиссии углерода, потребляющим, тем не менее, энергию.

В журнале американского общества химиков Мирика описывает новое комплексное соединение металла, которое может объединять метиловые группы (CH3) в присутствии кислорода для производства этана (CH3-CH3). Это второй этап превращения метана (CH4), основного компонента природного газа, в длинноцепочечный углеводород, или жидкое топливо.

Команда Мирика в данное время регулирует комплекс таким образом, чтобы он также реализовывал первый этап превращения метана в этан.

Проблема энергии

Ископаемое топливо полезно тем, что оно сохраняет энергию в химических связях и высвобождают ее при сгорании. Таким образом, оно является необычайно удобным компактным скоплением энергии. Однако высвобождающие энергию реакции сложно повернуть вспять, и чем больше высвобождается энергии, тем сложнее их обратить.

У этой проблемы нет вариантов - если высвобождаемую энергию реакцию можно было повернуть вспять, это стало бы источником топлива для вечного двигателя, что, конечно, невозможно.

Но все же есть возможность обратить реакцию горения углеводорода либо грубой силой, либо хитростью.

Способ грубой силы состоит в нагнетании энергии. Таким образом нацисты превратили уголь в нефть во время Второй Мировой войны. Имеющая большие запасы угля и ограниченные запасы нефти Германия решила проблему путем химического превращения угля в нефть. Но нацистские заводы на синтетической нефти работали только при больших температурах и давлении, используя при этом больше энергии, чем сохранялось в синтетической нефти.

Способ хитрости состоит в изобретении химического вещества - катализатора, который поведет реакцию по альтернативному, энергосберегающему пути создания продуктов реакции. В результате вместо того, чтобы резко продуцировать энергию, реакция проходит в более контролируемые, в идеале с минимальной мощностью, этапы.

Как шар в перчатке

В прошлом году группа исследователей с Мирика во главе работала с соединением палладия, которое, как они надеялись, могло катализировать расщепление воды. «Сделанный нами катализатор для этой реакции сработал, - говорит Мирика, – но не так хорошо, как мы надеялись. Однако мы заметили, что он легко окислялся, даже кислородом в воздухе. Это было первым намеком на то, что эта система может стать интересной. И далее мы задумались, для чего еще она может использоваться, и одной из наших идей было превращение метана в этан».

Метан, основной компонент природного газа, выделяется в больших объемах, когда сверлится нефтяная скважина. На сегодняшний день метан на нефтяных полях растрачивается впустую; его сжигают прямо на поле, высвобождая в атмосферу большие объемы углекислого газа.

Превращение метана в этан, по словам Мирика, может стать первым шагом в процессе создания длинноцепочечных углеводородов, таких как бутан и октан, которые будут жидкими при нормальной температуре и давлении, соответственно их можно будет легко доставлять до далеких пользователей. 

Комплексное соединение металла, созданное Мирика, решает половину проблемы превращения метана в этан. Оно включает две метиловые группы (CH3) и в присутствии кислорода и освещения связывает атомы углерода для формирования этана.

Комплексное соединение состоит из органической молекулы, связывающей центральный атом палладия с помощью четырех атомов азота, удерживая его, как шар в перчатке. Органическая молекула является ключевым фактором функционирования комплексного соединения металла, так как она стабилизирует его в необычном состоянии окисления +3 (оно отдает три электрона) и отвечает за беспрецедентную химическую активность.

Находясь «в перчатке», атом палладия имеет еще два места для стыковки, которые могут быть заняты химическими элементами, чьи реакции он катализирует.
В данной работе эти места занимаются метиловыми группами, к которым присоединяется палладий для производства этана. Но Мирика подчеркивает, что эти места могут легко быть заняты другими химическими элементами. Вдобавок, реакции могут быть восстановительными (когда электроны отдаются реактантам), а не окислительными (когда электроны забираются от реактантов), как преобразование метана в этан.

Вкратце, это комплексное соединение открыло целую новую страницу в химии палладия.

Что предстоит сделать

В данное время лаборатория Мирика работает над изменением комплексного соединения металла, чтоб он мог производить полную реакцию превращения метана в этан.

Первой частью этой реакции является отслаивание метиловых групп от молекул метана. По словам Мирика, это довольно сложно, так из четырех имеющихся связей C-H молекулы метана необходимо разорвать только одну.

«Реакция хочет произойти с резким выбросом энергии до конечных продуктов (CO2), - объясняет Мирика. – Наша цель – создать катализатор, который остановит реакцию на полпути (когда удаляется только один водород)».

Его лаборатория также испытывает способность комплексного соединения металла производить реакцию восстановления, превращения CO2 в метанол (CH3OH).

«Углекислый газ имеет необычайно стабильную молекулу, потому что бы вы с ней ни делали, это требует энергии, - отмечает Мирика. – Мы пытаемся использовать комплексное соединение металла, чтоб минимизировать объем необходимой энергии».Молекула углеводородного этана

Одной из целей лаборатории Мирика является создание катализатора-металла, который может отслоить только один водород (белые шары) от каждой из двух молекул метана (сверху), а затем объединить получившиеся в результате метиловые группы для формирования углеводородного этана (снизу).

И этановые, и метаноловые реакции используют парниковые газы и преобразуют их в жидкость или легко превращаемые в жидкость соединения, которые в последующем могут использоваться как топливо. Если объем используемой энергии окажется достаточно небольшим, углерод можно таким образом перерабатывать много раз.

Конечной целью Мирика является химия переработки углерода, которая будет требовать так мало энергии, что сможет опередить солнечную энергию.

По его мнению, если мы собираемся продолжать использовать такие углеродсодержащие виды топлива, которые производят CO2, мы должны сделать горение безуглеродным, и, используя катализатор и энергию солнца, превратить CO2 обратно в топливо.

Источник

Комментарии: