آیا از واکنش مقدس Grail در شیمی اطلاع داشتید؟
2024,04,22
وقتی صحبت از گاز طبیعی می شود ، نباید با آن ناآشنا باشید و امروزه هیچ خانه ای نمی تواند بدون آن آشپزی کند. مؤلفه اصلی گاز طبیعی متان است که یکی از ساده ترین ترکیبات هیدروکربن است. تسریع در توسعه و استفاده از متان کلید اصلی تحقق توسعه سبز و پایدار صنعت انرژی و شیمیایی است. علاوه بر استفاده مستقیم به عنوان سوخت ، از متان نیز می تواند به عنوان یک منبع C1 استفاده شود ، یعنی یک مولکولی که حاوی یک اتم کربن است و می تواند برای تهیه مواد شیمیایی با ارزش بالا مانند متانول فرمیک تبدیل شود. اسید و غیره. متان را می توان در اکسیژن سوزاند تا آب و دی اکسید کربن تشکیل شود. بدون احتراق ، آیا می توان پیوندهای هیدروکربن مولکول های متان را در شرایط خفیف فعال و تبدیل کرد؟ پاسخ بله است! این واکنش "گریل مقدس" در زمینه کاتالیز است. واکنشهای مرتبط با "گریل مقدس" اغلب بسیار چالش برانگیز است ، زیرا ممکن است در شرایط بسیار سخت انجام شود ، یا ممکن است نیاز به غلبه بر مشکلات ذاتی یک واکنش شیمیایی ، مانند فعال شدن ترکیبات بسیار پایدار ، کم بازده و انتخاب کم. این چالش ها تحقق این واکنش ها را دشوار می کند ، اما در صورت دستیابی به موفقیت ، آنها منجر به پیشرفت های چشمگیر در تحقیقات علمی و کاربردهای صنعتی می شوند.
1. چالش در تبدیل متان در دماهای پایین تبدیل متان به طور مستقیم به سایر مواد شیمیایی مفید با اکسیژن ارزان قیمت در دمای پایین یا حتی دمای اتاق بسیار دشوار است ، چرا چنین است؟ بیایید به ماهیت متان و اکسیژن نگاه کنیم. ساختار شیمیایی متان حاوی چهار پیوند کربن هیدروژن یکسان (CH) است که یک پیکربندی ارتوتتراهدرال بسیار متقارن تشکیل می دهند و هر پیوند CH3-H از متان دارای انرژی پیوند تا 435 کیلوژول در مول است. ما می توانیم از پیوند CH متان به عنوان یک چشمه مخصوصاً قوی فکر کنیم. این بهار بسیار محکم است و به کشش نیرو زیادی نیاز دارد. در شیمی ، این "نیرو" انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوند CH است. این انرژی با پیوند بالا باعث می شود که پیوندهای CH متان از نظر ترمودینامیکی پایدار و برای تجزیه یا واکنش با شرایط عادی بسیار دشوار باشد. از طرف دیگر ، در واکنشهای شیمیایی ، گروههای واکنشی معمولاً تحت تعامل قطبی ایجاد می شوند (تعامل قطبی پدیده ای است که یک مولکول دارای یک انتهای دارای بار مثبت و دیگری با بار منفی است) ، در حالی که ساختار متقارن و ماهیت غیر قطبی مولکول متان مانع می شود این امر از تولید چنین قطبیت (با توجه به پیکربندی مولکولی ، یک مولکول با هواپیمای تقارن قطبی ندارد) و نمی تواند گروه های واکنشی ارائه دهد. بنابراین ، فعال سازی و تبدیل متان بسیار چالش برانگیز است و معمولاً به شرایط سخت مانند دمای بالا (600-1100 درجه سانتیگراد) یا برخی از "اسیدهای فوق العاده" مانند اسیدهای فوق العاده قوی و رادیکال های آزاد برای کمک به فعال سازی متان نیاز دارد. بنابراین ، مشکل اصلی در تحقق فعال شدن دمای پایین متان و اکسیژن در نحوه فعال کردن پیوند CH متان ، یعنی نحوه کشش "چشمه" در پیوند CH نهفته است. 2. معجزه کاتالیزور دانشمندان راه حل مناسبی برای این مشکل به دست آوردند و تصمیم گرفتند از یک کاتالیزور برای فعال کردن متان در دمای پایین استفاده کنند (یک کاتالیزور یک ماده شیمیایی است که قبل یا بعد از یک واکنش تغییر نمی کند ، اما با تغییر حداقل مقدار واکنش را سرعت می بخشد. از انرژی که باید برای واکنش به آن تزریق شود). در سال 2023 ، ژورنال Nature Catalysis در مورد روند دستیابی مستقیم متان با اکسیژن به اکسیدهای C1 (متانول (CH3OH) ، اسید فرمیک (HCOOH) و متیلن گلیکول (HOCH2OH)) با استفاده از یک دفع کننده خاص مولیبدن (MOS2) گزارش شده است. کاتالیزور در دمای 25 درجه سانتیگراد. تبدیل متان از 4.2 ٪ و تقریباً 100 ٪ اکسیژن C1 با تبدیل متان و اکسیژن به اکسیژن های C1 با ارزش در شرایط محیط بدست آمد. این MOS2 تنها کاتالیزوری است که تاکنون گزارش شده است که می تواند تبدیل دمای اتاق متان و اکسیژن را تحقق بخشد. این همه به دلیل هندسه منحصر به فرد و ساختار الکترونیکی سایت MO در لبه MOS2 است. این سایت MO فعالیت فعال سازی بالایی به سمت اکسیژن در یک محیط آبی دارد و گونه های جادویی O = Mo = O* را تشکیل می دهد. این گونه باعث شکستن پیوند کربن هیدروژن می شود و انرژی فعال سازی پیوند CH متان را کاهش می دهد ، بنابراین واکنش متان را تا حد زیادی افزایش می دهد و در نتیجه متوجه فعال شدن دمای کم متان و اکسیژن می شود. این کشف امکانات بیشتری را برای استفاده از انرژی در آینده و حفاظت از محیط زیست به ارمغان می آورد و همچنین درک عمیق تری از نقش شگفت انگیز کاتالیزورها و کمکی ها به ما می دهد.
3. اهمیت استراتژیک مهم فعال سازی دمای پایین متان با تحقق تبدیل مستقیم کاتالیزوری متان و اکسیژن در دمای اتاق و تبدیل متان در گاز طبیعی به سایر مواد شیمیایی مفید ، می تواند میزان استفاده از گاز طبیعی را تا حد زیادی بهبود بخشد ، زباله ها را کاهش دهد و از محیط زیست بهتر محافظت کند و از توسعه پایدار انرژی استفاده کند. بشر ثانیاً ، به عنوان گاز گلخانه ای ، متان در سهم خود در گرم شدن کره زمین تنها در برابر دی اکسید کربن است. اگر متان را می توان به مواد دیگر تبدیل کرد ، می تواند به ما در کاهش انتشار آلاینده های هوا (به عنوان مثال اکسیدهای کربن ، اکسیدهای نیتروژن ، اکسیدهای گوگرد ، هیدروکربن ها و ترکیبات اتر) کمک کند و فشار گرم شدن کره زمین را کاهش دهد.
