"Метанол вырабатывается на огромных заводах при очень высоких давлениях с использованием водорода, диоксида углерода и окись углерода из природного газа," говорит ведущий автор исследования Феликс Штудт. "Мы ищем материалы, которые сделают метанол из чистых источников в условиях низкого давления, при генерации небольшое количество окиси углерода."
Конечная цель заключается в разработке крупномасштабного производственного процесса, что является экологически чистым и нейтральным уровнем эмиссии углерода, используя чистую водород, говорят авторы.
"Представьте себе, если бы вы могли синтезировать метанол с использованием водорода из возобновляемых источников, таких как вода раскола солнечным светом, и углекислого газа захваченного от электростанций и других промышленных дымовых труб", говорит соавтор Йенс Норсков, профессор химической инженерии в Стэнфорде. "В конце концов мы также хотели бы, чтобы высшие спирты, такие как этанол и пропанол, которые, в отличие от метанола, могут быть непосредственно добавлены к бензину сегодня."
Во всем мире около 65 миллионов метрических тонн метанола ежегодно производится для использования в производстве красок, полимеров, клеев и других продуктов. В типичной завода по производству метанола, газа и воды, преобразуются в синтез-газа ("сингаза"), который состоит из окиси углерода, двуокиси углерода и водорода. Синтез-газ затем преобразуется в метаноле в процессе под высоким давлением с использованием катализатора, изготовленный из меди, цинка и алюминия.
"Мы потратили много времени на изучение синтеза метанола и промышленного процесса", сказал Штудт. "Это заняло у нас около трех лет, чтобы выяснить, как работает этот процесс и определить активных центров на медно-цинково-алюминиевого катализатора, что синтезировать метанол."
После того, как он и его коллеги поняли, синтез метанола на молекулярном уровне, они начали охоту на нового катализатора, способного синтезировать метанол при низких давлениях, используя только водород и углекислый газ.
"Метод известен как вычислительные материалы дизайн", пояснил Норсков, директор SUNCAT Центра взаимодействия науки и катализа в Стэнфорде. "Вы получаете идеи для новых функциональных материалов на основе исключительно на компьютерных расчетов. Там нет проб и ошибок в лаборатории в первую очередь. Вы использовать свой понимание и огромное вычислительные мощности для выявления новых и интересных материалов, которые затем могут быть проверены экспериментально."
Штудт сравнил медно-цинково-алюминиевый катализатор с тысячами других материалов в базе данных. Наиболее перспективным кандидатом оказался малоизвестный сплав из никеля и галлия.
"Как только мы получили имя соединения из компьютера, кто-то еще должен был проверить это," сказал Норсков. "Мы не делаем лабораторные эксперименты здесь, так что мы должны иметь хорошего партнера, проводящего эксперименты"
Норсков обратился к исследовательской группы в Техническом университете Дании во главе с соавтор Иб Шоркендорф. Во-первых, датская команда провела задачу синтеза никеля и галлия в твердый катализатор. Затем ученые провели серию экспериментов, чтобы увидеть, если новый катализатор может на самом деле производят метанол при обычном давлении номера.
Лабораторные тесты подтвердили, что компьютер сделал правильный выбор. При высоких температурах сплав никель-галлий получают больше метанола по сравнению с обычной медь-цинк-алюминиевого катализатора и значительно меньше монооксида углерода побочного продукта.
"Вы хотите, чтобы метанол, а не окиси углерода ", сказал Шоркендорф. "Вы также хотите катализатор, который стабилен и не разлагаются. Лабораторные тесты показали, что никель-галлия, на самом деле, очень стабильная твердого тела."
Хотя эти результаты показывают, обещание, большая работа еще впереди. "Мы бы хотели, чтобы сделать катализатор немного больше чистой", добавил Шоркендорф.
"Если он содержит всего несколько наночастицы чистого никеля, выход падает совсем немного, потому что чистый никель паршиво на синтезе метанола. На самом деле, это делает всякие химических побочных продуктов, что вы не хотите."
Никель имеется относительно много, а галлий, хотя и более дорогой, широко используется в электронной промышленности. Это говорит о том, что новый катализатор в конечном счете может быть расширены для промышленного использования, по мнению авторов. Но, чтобы сделать метанола синтез процесс действительно нейтральным уровнем эмиссии углерода потребует преодоления множество дополнительных препятствий.
