Heu sabut la reacció del Sant Grial en química?
April 22, 2024
Quan es tracta de gas natural, no heu de ser desconeguts i, avui dia, cap llar pot cuinar sense ella. El component principal del gas natural és el metà, que és un dels compostos d’hidrocarburs més simples. L’acceleració del desenvolupament i l’ús del metà és la clau per realitzar el desenvolupament verd i sostenible de la indústria energètica i química. A més del seu ús directe com a combustible, el metà també es pot utilitzar com a recurs C1, és a dir, una molècula que conté un àtom de carboni i que es pot continuar convertint per preparar productes químics de gran valor afegit, com el metanol, Formic, Formic àcid, etc. El metà es pot cremar en oxigen per formar aigua i diòxid de carboni. Sense combustió, és possible activar i convertir els enllaços d’hidrocarburs de les molècules de metà en condicions lleus? La resposta és que sí! Aquesta és la reacció del "Holy Graal" en el camp de la catàlisi. Les reaccions associades al "sant graal" són sovint extremadament difícils, ja que potser caldrà dur a terme en condicions molt dures, o potser necessiten superar les dificultats inherents d'una reacció química, com l'activació de compostos altament estables, baixos, baixos rendiments i baixa selectivitat. Aquests reptes dificulten la realització d’aquestes reaccions, però si es poden assolir amb èxit, comportaran avenços importants en la investigació científica i les aplicacions industrials.
1. CHALLENGES En la conversió de metà a temperatures baixes És molt difícil convertir el metà directament a altres productes químics útils amb oxigen barat a temperatures baixes o fins i tot a temperatura ambient, per què és així? Mirem la naturalesa del metà i l’oxigen. L’estructura química del metà conté quatre enllaços de carboni idèntics (CH) que formen una configuració ortotetraèdrica altament simètrica i cada enllaç CH3-H de metà té una energia d’enllaç de fins a 435 kJ/mol. Podem pensar en l’enllaç CH de metà com una molla especialment forta. Aquesta primavera és molt desagradable i requereix molta força per estirar -se. En química, aquesta "força" és l'energia necessària per trencar l'enllaç CH. Aquesta gran energia d’enllaç fa que els enllaços CH de metà siguin termodinàmicament estables i molt difícils de descompondre o reaccionar amb les condicions normals. D'altra banda, en les reaccions químiques, els grups reactius se solen generar sota interacció polar (la interacció polar és el fenomen que una molècula té una finalitat de càrrega positivament i l'altra es carrega negativament), mentre que l'estructura simètrica i la naturalesa no polar de la molècula de metà prevé A partir de generar aquesta polaritat (segons la configuració molecular, una molècula amb pla de simetria no té polaritat) i no pot proporcionar grups reactius. Per tant, l’activació i la conversió de metà és molt difícil i sol requerir condicions dures com ara temperatures elevades (600-1100 ° C) o alguns “extremòfils” com ara àcids super-fort i radicals lliures per ajudar a l’activació del metà. Per tant, la principal dificultat per realitzar l’activació de baixa temperatura del metà i l’oxigen rau en la manera d’activar l’enllaç Ch de metà, és a dir, com estirar la “molla” en l’enllaç CH. 2. El miracle del catalitzador Els científics van trobar una bona solució a aquest problema i van optar per utilitzar un catalitzador per ajudar a activar el metà a temperatures baixes (un catalitzador és un producte químic que no canvia abans o després d’una reacció, però accelera la reacció alterant la quantitat mínima d’energia que cal injectar perquè es produeixi la reacció). El 2023, la revista Nature Catalysis va informar sobre el procés per aconseguir la conversió directa de metà amb oxigen a òxids C1 (metanol (CH3OH), àcid fòrmic (HCOOH) i metilenglicol (HOCH2OH)) mitjançant un disulfid de molibdenum específic (MOS2) (MOS2) Catalitzador a 25 ° C. Es va aconseguir una conversió de metà del 4,2% i gairebé 100% d’oxigenats C1 convertint el metà i l’oxigen en valuosos oxigenats C1 en condicions ambientals. Aquest MOS2 és l’únic catalitzador que fins ara pot realitzar la conversió de la temperatura ambient de metà i oxigen. Tot això es deu a la geometria única i a l'estructura electrònica del lloc MO a la vora del MOS2. Aquest lloc MO té una alta activitat d’activació cap a l’oxigen en un entorn aquós, formant l’espècie màgica o = mo = o*. Aquesta espècie fa que l’enllaç de carboni-hidrogen sigui més fàcil de trencar i redueix l’energia d’activació de l’enllaç C de metà, augmentant així molt la reactivitat del metà i, per tant, realitzant l’activació de baixa temperatura de metà i oxigen. Aquest descobriment aportarà més possibilitats per a la utilització d’energia futura i la protecció del medi ambient, a més de donar -nos una comprensió més profunda del sorprenent paper dels catalitzadors i auxiliars.
3. Significació estratègica significativa de l’activació de baixa temperatura del metà Adonar -se de la conversió catalítica directa de metà i oxigen a temperatura ambient i convertint el metà en gas natural en altres productes químics útils, pot millorar molt la taxa d’utilització del gas natural, reduir els residus i protegir millor el medi ambient i adonar -se del desenvolupament sostenible de l’energia . En segon lloc, com a gas d’efecte hivernacle, el metà només és el diòxid de carboni en la seva contribució a l’escalfament global. Si el metà es pot convertir en altres substàncies, ens pot ajudar a reduir l’emissió de contaminants de l’aire (per exemple, òxids de carboni, òxids de nitrogen, òxids de sofre, hidrocarburs i compostos d’èters) i alleujar la pressió de l’escalfament global.
