天然ガスのメタンを室温下でメタノールに転換する技術を開発

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(New method converts methane in natural gas to methanol at room temperature)

2021/2/18 アメリカ合衆国・イリノイ大学シカゴ校(UIC)

天然ガスでメタンを燃焼させると、炭素排出に貢献します

・ UIC が、天然ガスを室温下でメタノールに転換する技術を開発。
・ 燃焼により CO2 を排出する天然ガスに代わる、クリーンなエネルギー源の供給が期待できる。・ 米国エネルギー情報局(EIA)によると、2019 年の米国の天然ガス消費量は約 31 兆立方フィートで、約 1.6 ギガトンの CO2 を排出している。
・ よりクリーンに燃焼してガソリンやプラスチックの原料として利用できる液体燃料であるメタノールへの転換は天然ガスのより有効な利用方法であるが、天然ガスのメタンをメタノールへに転換するには大量の熱と圧力を消費し、CO2を大量に排出する。
・ 「未来の燃料」とも言われるメタノールは、その低い CO2 排出量と高い容積エネルギー密度により、輸送、エネルギー貯蔵や合成化学物質・製品の主要な前駆体物質として化石燃料を代替する「メタノール経済」を主導するもの。現在、メタノールは市バス等の動力の燃料電池で利用されている。
・ 今回、大量の熱と圧力を要するメタノール製造の最初のステップである、メタンガスの炭素と水素の結合の切断に効果的な触媒材料(チタンと銅)を特定。同結合の切断に必要なエネルギーを低減し、反応温度が産業プロセスの 200℃超から約 20℃に低下。
・ 同触媒による反応プロセスのエネルギーは従来に比べて少なく、高圧力や熱を発生させる機器類も不要なため迅速・安価にセットアップできる。ワゴン車のような狭い空間で、天然ガス利用とメタノール製造の分散実施が可能。
・ 同技術は、UIC Office of Technology Management が仮特許出願済み。1 日あたり数リットルのメタノ
ール製造を見込む。
URL: https://today.uic.edu/new-method-converts-methane-in-natural-gas-to-methanol-at-room-temperature

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

米国科学アカデミー紀要(PNAS)掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Fundamental insight into electrochemical oxidation of methane towards methanol on transition metal
oxides
URL: https://www.pnas.org/content/118/8/e2023233118

Abstract

Electrochemical oxidation of CH4 is known to be inefficient in aqueous electrolytes. The lower activity of methane oxidation reaction (MOR) is primarily attributed to the dominant oxygen evolution reaction (OER) and the higher barrier for CH4 activation on transition metal oxides (TMOs). However, a satisfactory explanation for the origins of such lower activity of MOR on TMOs, along with the enabling strategies to partially oxidize CH4 to CH3OH, have not been developed yet. We report here the activation of CH4 is governed by a previously unrecognized consequence of electrostatic (or Madelung) potential of metal atom in TMOs. The measured binding energies of CH4 on 12 different TMOs scale linearly with the Madelung potentials of the metal in the TMOs. The MOR active TMOs are the ones with higher CH4 binding energy and lower Madelung potential. Out of 12 TMOs studied here, only TiO2, IrO2, PbO2, and PtO2 are active for MOR, where the stable active site is the O on top of the metal in TMOs. The reaction pathway for MOR proceeds primarily through *CHx intermediates at lower potentials and through *CH3OH intermediates at higher potentials. The key MOR intermediate *CH3OH is identified on TiO2 under operando conditions at higher potential using transient open-circuit potential measurement. To minimize the overoxidation of *CH3OH, a bimetallic Cu2O3 on TiO2 catalysts is developed, in which Cu reduces the barrier for the reaction of *CH3 and *OH and facilitates the desorption of *CH3OH. The highest faradaic efficiency of 6% is obtained using Cu-Ti bimetallic TMO.

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