Kennen Sie die „Heiliger Gral-Reaktion“ der Chemie?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Apropos Erdgas: Jeder dürfte damit vertraut sein. Heutzutage kann kein Haushalt mehr auf Erdgas zum Kochen verzichten. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, der einfachste Kohlenwasserstoff. Ab 2023 werden die Erdgasreserven meines Landes 6,6 Billionen Kubikmeter betragen, was 10 % der weltweiten Erdgasreserven entspricht.

Erdgasspeicher

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Angesichts der enormen Ressourcenvorteile ist die Beschleunigung der Entwicklung und Nutzung von Methan der Schlüssel zur Erreichung einer grünen und nachhaltigen Entwicklung der Energie- und Chemieindustrie. Methan kann nicht nur direkt als Kraftstoff verwendet werden, sondern auch als C1-Ressource, d. h. als Molekül mit einem Kohlenstoffatom, das weiter umgewandelt werden kann, um hochwertige Chemikalien wie Methanol und Ameisensäure herzustellen.

Erinnern Sie sich, als wir in der High School die chemische Gleichung für die Reaktion von Methan und Sauerstoff aufstellten, mussten wir angeben, dass die Reaktionsbedingungen „Verbrennung“ waren. Methan kann in Sauerstoff verbrennen und dabei Wasser und Kohlendioxid erzeugen. Kann die Aktivierung und Umwandlung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Methanmolekülen unter milden Bedingungen erreicht werden, wenn keine Verbrennungsbedingungen vorliegen?

Die Antwort ist ja! Dies ist die „Heilige Gral-Reaktion“ in der Katalyse.

Reaktionen im Zusammenhang mit dem „Heiligen Gral“ sind oft äußerst herausfordernd; Sie müssen möglicherweise unter sehr harschen Bedingungen durchgeführt werden oder erfordern die Überwindung der inhärenten Schwierigkeiten chemischer Reaktionen, wie etwa die Aktivierung hochstabiler Verbindungen, niedrige Ausbeuten und geringe Selektivität. Diese Herausforderungen erschweren die Durchführung dieser Reaktionen, doch wenn sie erfolgreich durchgeführt werden können, werden sie zu großen Durchbrüchen in der wissenschaftlichen Forschung und industriellen Anwendung führen.

Die Struktur des Methanmoleküls

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Herausforderungen der Methanumwandlung bei niedrigen Temperaturen

Warum ist es so schwierig, Methan bei niedrigen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur direkt mit billigem Sauerstoff in andere nützliche Chemikalien umzuwandeln?

Schauen wir uns die Eigenschaften von Methan und Sauerstoff an.

Die chemische Struktur von Methan enthält vier identische Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen (CH), die eine hochsymmetrische tetraedrische Konfiguration bilden. Die Bindungsenergie jeder CH3-H-Bindung von Methan beträgt bis zu 435 kJ/mol.

Wir können uns die CH-Bindungen des Methans wie eine besonders starke Feder vorstellen. Diese Feder ist sehr straff und erfordert viel Kraft zum Dehnen. In der Chemie ist diese „Kraft“ die Energie, die zum Aufbrechen einer CH-Bindung erforderlich ist.

Diese hohe Bindungsenergie macht die CH-Bindung von Methan in der Thermodynamik äußerst stabil und unter normalen Bedingungen äußerst schwierig zu zersetzen oder zu reagieren . Andererseits werden bei chemischen Reaktionen aktive Gruppen normalerweise unter der Einwirkung von Polarität erzeugt (Polarität bezieht sich auf das Phänomen, dass ein Ende eines Moleküls positiv und das andere Ende negativ geladen ist). Die symmetrische Struktur und die unpolaren Eigenschaften des Methanmoleküls machen es ihm jedoch unmöglich, diese Polarität zu erzeugen (entsprechend der Molekülkonfiguration haben Moleküle mit Symmetrieebenen keine Polarität) und können keine aktiven Gruppen bereitstellen.

Daher ist die Aktivierungs- und Umwandlungsreaktion von Methan äußerst anspruchsvoll und erfordert normalerweise harte Bedingungen, wie beispielsweise hohe Temperaturen (600–1100 °C) oder einige „extreme Moleküle“ wie Supersäuren und freie Radikale, um die Methanaktivierung zu unterstützen.

Daher liegt die Hauptschwierigkeit bei der Aktivierung von Methan und Sauerstoff bei niedrigen Temperaturen darin, wie die CH-Bindung des Methans aktiviert werden kann, d. h., wie die „Feder“ in der CH-Bindung gedehnt werden kann.

Das Wunder des Katalysators

Niedrigtemperatur-Sauerstoffaktivierung von Methan

(Bildquelle: Referenz [3])

Wissenschaftler haben eine gute Möglichkeit gefunden, dieses Problem zu lösen. Sie entschieden sich für den Einsatz von Katalysatoren, um Methan bei niedrigen Temperaturen zu aktivieren (ein Katalysator ist eine chemische Substanz, die sich vor und nach der Reaktion nicht verändert, die Reaktion aber beschleunigen kann, indem sie die für die Reaktion erforderliche Mindestenergiezufuhr verändert).

Im Jahr 2023 berichtete die Zeitschrift Nature Catalysis über die Verwendung eines speziellen Molybdändisulfid-Katalysators (MoS2) bei 25 °C zur direkten Umwandlung von Methan und Sauerstoff in C1-Oxygenate (Methanol (CH3OH), Ameisensäure (HCOOH) und Methylenglykol (HOCH2OH). Unter normalen Temperaturbedingungen wurden Methan und Sauerstoff in wertvolle C1-Oxygenate umgewandelt, wobei eine Methanumwandlungsrate von 4,2 % und fast 100 % C1-Oxygenate erreicht wurden.

Dieses MoS2 ist der einzige bisher bekannte Katalysator, der eine Umwandlung von Methan und Sauerstoff bei Raumtemperatur erreichen kann.

All dies ist auf die einzigartige geometrische und elektronische Struktur der Mo-Stellen am Rand von MoS2 zurückzuführen. Diese Mo-Stelle weist in einer wässrigen Umgebung eine hohe Aktivierungsaktivität gegenüber Sauerstoff auf und bildet eine magische O=Mo=O*-Spezies. Diese Spezies erleichtert das Aufbrechen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung, verringert die Aktivierungsenergie der CH-Bindung von Methan und erhöht somit die Reaktivität von Methan erheblich, wodurch eine Aktivierung von Methan und Sauerstoff bei niedrigen Temperaturen erreicht wird.

Diese Entdeckung wird neue Möglichkeiten für die zukünftige Energienutzung und den Umweltschutz eröffnen und uns zudem ein tieferes Verständnis der magischen Wirkung von Katalysatoren ermöglichen.

Die große strategische Bedeutung der Niedertemperaturaktivierung von Methan

Als Land mit reichen Erdgasvorkommen verfügt mein Land über große Methanreserven. Durch die direkte katalytische Umwandlung von Methan und Sauerstoff bei Raumtemperatur und die Umwandlung von Methan in Erdgas in andere nützliche Chemikalien kann die Nutzungsrate von Erdgas erheblich verbessert und Abfall reduziert werden. Dies wird der Energiewirtschaft meines Landes enorme wirtschaftliche Vorteile bringen und gleichzeitig zu einem besseren Umweltschutz und einer nachhaltigen Energieentwicklung führen.

Zweitens ist Methan als Treibhausgas der zweitgrößte „Beitrag“ zur globalen Erwärmung nach Kohlendioxid. Wenn Methan in andere Substanzen umgewandelt werden kann, kann es uns helfen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Druck der globalen Erwärmung zu verringern. Damit leisten wir einen enormen Beitrag zum Umweltschutz meines Landes und zeigen gleichzeitig die Verantwortung und das Engagement meines Landes bei der Bewältigung der globalen Probleme des Klimawandels.

Basierend auf der obigen Diskussion wird die direkte katalytische Umwandlung von Methan und Sauerstoff bei Raumtemperatur einen wichtigen Wandel in den Energie- und Umweltbereichen meines Landes einleiten und auch unermessliche Chancen mit sich bringen. Durch die Überwindung dieser technischen Schwierigkeit können wir nicht nur die Optimierung und Ökologisierung der Energiestruktur meines Landes vorantreiben, sondern auch entsprechende industrielle Innovationen technisch stark unterstützen und so den technologischen Fortschritt und die Führungsrolle meines Landes in den Bereichen globale Energie und Umweltschutz beschleunigen.

Abschluss

Auf der Bühne der Wissenschaft und Technologie geht die Geschichte von Methan und Sauerstoff weiter. Wir sind davon überzeugt, dass der Outputwert der gezielten Methanumwandlung mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Wissenschaft weiter steigen wird. Freuen wir uns gemeinsam auf diese schöne Zukunft und nutzen wir die Kraft der Wissenschaft, um mehr Überraschungen und Annehmlichkeiten in unser Leben zu bringen!

Verweise

[1] Li, Z., Xiao, Y., Chowdhury, PR et al. Direkte Methanaktivierung durch atomar dünne Platin-Nanoschichten auf zweidimensionalen Metallcarbiden. Nat. Katal. 4, 882–891 (2021).

[2] Guo, X. et al. Direkte, nicht-oxidative Umwandlung von Methan in Ethylen, Aromaten und Wasserstoff. Science 344, 616–619 (2014).

[3] Mao, J., Liu, H., Cui, X. et al. Direkte Umwandlung von Methan mit O2 bei Raumtemperatur über kantenreichem MoS2. Nat. Katal. (2023).