العلماء يحولون الميثان إلى ميثانول في درجة حرارة الغرفة – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي 

Scientists turn methane into methanol at room temperature
(Andrew Myers – بقلم: أندرو مايرز)

ملخص المقالة:

قام باحثون من جامعة ستانفورد وجامعة لوفين البلجيكية بتحويل الميثان الى ميثانول – أبسط كحول – في درجة حرارة الغرفة باستخدام زيوليت الحديد. وهذه خطوة مهمة نحو اقتصاد وقود الميثانول مع وفرة الميثان كمواد وسيطة، وستغير بشكل أساسي كيفية استخدام الغاز الطبيعي. ويستخدم الميثانول – وهو غني بالهيدروجين – لصنع منتجات مختلفة، مثل الدهانات والبلاستيك، وكمضاف للبنزين؛ ويمكن له أن يقود خلايا وقود حديثة العهد ستعود بفوائد بيئية كبيرة. وسيكون تخزين الوقود السائل الناتج أسهل بكثير من الغاز الطبيعي والهيدروجين النقي، كما سيقلل بشكل كبير من انبعاثات الميثان من محطات معالجة الغاز الطبيعي وخطوط الأنابيب. 

( المقالة )

قام فريق من الباحثين من جامعة ستانفورد وجامعة لوفين (Leuven) في بلجيكا بتوضيح عملية مثيرة للاهتمام يمكن أن تكون خطوة مهمة نحو اقتصاد وقود الميثانول مع وفرة الميثان كمواد وسيطة، وهو تقدم يمكن أن يغير بشكل أساسي كيفية استخدام العالم للغاز الطبيعي.

ويستخدم الميثانول – أبسط كحول – لصنع منتجات مختلفة، مثل الدهانات والبلاستيك، وكمضاف للبنزين. ويمكن للميثانول، وهو غني بالهيدروجين، أن يقود خلايا وقود حديثة العهد يمكن أن تعود بفوائد بيئية كبيرة.

وإذا كان من الممكن تحويل الغاز الطبيعي، الذي يعتبر الميثان المكون الأساسي منه، اقتصاديًا إلى ميثانول، فسيكون تخزين الوقود السائل الناتج أسهل بكثير من الغاز الطبيعي والهيدروجين النقي. ومن شأن ذلك أيضًا أن يقلل بشكل كبير من انبعاثات الميثان من محطات معالجة الغاز الطبيعي وخطوط الأنابيب. واليوم، يكاد الميثان المتسرب، وهو غاز من غازات الدفيئة أقوى بكثير من ثاني أكسيد الكربون، ينفي المزايا البيئية للغاز الطبيعي على النفط والفحم.

ودراسة الفريق الجديدة التي نُشِرت في الإصدار الحالي [16 يوليو] من مجلة “العلوم” (Science) هي أحدث دراسة لتطوير طريقة منخفضة الطاقة لإنتاج الميثانول من الميثان.

“هذه العملية تستخدم بلورات المشتركة المعروفة باسم زيوليت [١] الحديد التي هي معروفة لتحويل الغاز الطبيعي الى الميثانول في درجة حرارة الغرفة” ، يوضح بنيامين سنايدر، الذي حصل على الدكتوراه في جامعة ستانفورد، دارسًا المواد الحفَّازة لمعالجة الجوانب الرئيسية من هذا التحدي. ويضيف: “ولكن، هذه كيمياء صعبة للغاية لتحقيقها على المستوى العملي، حيث أن الميثان خامل كيميائيًا بعناد”.

وعندما يتم ضخ الميثان في زيوليت الحديد المسامي، يتم إنتاج الميثانول بسرعة في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى حرارة أو طاقة إضافية. وبالمقارنة، تتطلب العملية الصناعية التقليدية لصنع الميثانول من الميثان درجات حرارة تبلغ 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت) وضغط مرتفع للغاية.

وقال المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة البروفيسور إدوارد سولومون، أستاذ الكيمياء وعلوم الفوتون في مختبر المسرع الوطني (SLAC) [٢] في جامعة ستانفورد: “هذه عملية محيرة اقتصاديًا، لكنها ليست بهذه السهولة. تمنع الحواجز الكبيرة توسيع نطاق هذه العملية إلى المستويات الصناعية”.

الحفاظ على الزيوليت

لسوء الحظ ، يتم تعطيل معظم زيوليت الحديد بسرعة. ولأنه غير قادر على معالجة المزيد من الميثان، فإن العملية تتلاشى.  قد حرص العلماء على دراسة طرق تحسين أداء الحديد الزيوليت. وتستخدم الدراسة الجديدة – التي شاركت في تأليفها هانا رودا، وهي طالبة دكتوراه في جامعة ستانفورد في الكيمياء غير العضوية – التحليل الطيفي المتقدم لاستكشاف البنية الفيزيائية للزيوليت الواعدة لإنتاج الميثان إلى الميثانول.

وقالت رودا: “السؤال الرئيسي هنا هو كيفية إخراج الميثانول دون تدمير العامل الحفَّاز”.

وباختيار اثنين من زيوليت الحديد الجذابين، درس الفريق البنية الفيزيائية للشبكات حول الحديد. واكتشفوا أن التفاعل يختلف اختلافًا كبيرًا وفقًا لحجم المسام في التركيب البلوري المحيط. ويطلق عليه الفريق اسم “تأثير القفص”، حيث يشبه تغليف الشبكة القفص.

وإذا كانت المسام الموجودة في الأقفاص كبيرة جدًا، يتم إلغاء تنشيط الموقع النشط بعد دورة تفاعل واحدة فقط ولا يتم إعادة تنشيطه مرة أخرى. وعندما تكون فتحات المسام أصغر، فإنها تنسق رقصة جزيئية دقيقة بين المواد المتفاعلة والمواقع النشطة للحديد – التي تنتج الميثانول مباشرة وتعيد انشاء الموقع النشط. وبالاستفادة من هذا الذي يسمى بـ “تأثير القفص”، تمكن الفريق من إعادة تنشيط 40 في المائة من المواقع المعطلة بشكل متكرر – وهو تقدم مفاهيمي مهم نحو عملية تحفيزية على نطاق صناعي.

وقال سنايدر، وهو الآن زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي في قسم الكيمياء تحت إشراف البروفيسور جيفري آر لونج: “يمكن للدورة التحفيزية – إعادة التنشيط المستمرة للمواقع المتجددة – أن تؤدي يومًا ما إلى إنتاج الميثانول الاقتصادي المستمر من الغاز الطبيعي”.

وهذا خطوة أساسية إلى الأمام في مجال العلوم الأساسية يساعد في توضيح للكيميائيين والمهندسين الكيميائين عملية استخدام زيوليت الحديد لإنتاج الميثانول في درجة حرارة الغرفة، ولكن يبقى الكثير من العمل قبل إمكانية جعل مثل هذه العملية الصناعية.

ويأتي التالي في قائمة سنايدر: معالجة تحقيق العملية ليس فقط في درجة حرارة الغرفة ولكن باستخدام الهواء المحيط بدلاً من مصدر آخر للأكسجين، مثل أكسيد النيتروز المستخدم في هذه التجارب. وسيكون التعامل مع عامل مؤكسد قوي مثل الأكسجين، والذي يصعب السيطرة عليه في التفاعلات الكيميائية، عقبة كبيرة أخرى على طول المسار.

وفي الوقت الحالي، كان سنايدر سعيدًا ومندهشًا بالقوى التوضيحية للأجهزة الطيفية المتطورة في مختبرات البروفيسور سولومون التي تم الاستفادة منها في هذه الدراسة. وكانت هذه لا تقدر بثمن لفهمه للكيمياء والتركيبات الكيميائية المشاركة في عملية تحويل الميثان إلى الميثانول.

وقال سنايدر: “إنه لأمر رائع كيف يمكنك الحصول على فكرة قوية جدًا على المستوى الذري، مثل تأثير القفص، من هذه الأدوات التي لم تكن متاحة للأجيال السابقة من الكيميائيين”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-07-scientists-methane-methanol-room-temperature.html

لمزيد من المعلومات: بنيامين سايدر وآخرون، Cage effects control the mechanism of methane hydroxylation in zeolites, Science (2021).  DOI: 10.1126/science.abd5803

الهوامش:

[١] الزيوليت عبارة عن مواد صلبة بلورية دقيقة المسام ذات هياكل محددة جيدًا. بشكل عام تحتوي على السيليكون والألمنيوم والأكسجين في هيكلها والكاتيونات والماء و / أو جزيئات أخرى في مسامها. يوجد الكثير منها بشكل طبيعي كمعادن، ويتم استخراجها على نطاق واسع في أجزاء كثيرة من العالم.

[٢] مختبر المسرع الوطني (SLAC) المسمى في الأصل مركز ستانفورد الخطي المعجل، هو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأمريكية تديره جامعة ستانفورد تحت التوجيه البرنامجي لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ويقع في مينلو بارك، بولاية كاليفورنيا.