Захват газов из узоров для получения прибыли и более чистой среды

Деталь пористого MOF (левый и внутренний круг справа), показывающий реактивный сайт металла, где кислород и углеводороды, такие как этан (молекулы в крайнем левом углу), превращаются в спирты, такие как этанол, плюс диоксид углерода (молекулы в крайнем правом правом).Красные шарики - это атомы кислорода;Серые углерод;Желтый железо;светло -голубой цинк;Темно -синий - это азот;и белый водород.Кредит: Jonas Börgel/UC Berkley

Сжигание природного газа в нефтяных и газовых скважинах, называемых Flaring, является основной тратой ископаемого топлива и участником изменения климата.Но на сегодняшний день захватывание расклешенного природного газа, оцениваемого в 140 миллиардов кубических метров в год Международным энергетическим агентством, не было экономически осуществимым.

Калифорнийский университет, Беркли, химики теперь придумали простой и зеленый способ преобразования этих газов - в отличие от метана и этана - на экономически ценные жидкости, в основном спирты, такие как метанол и этанол.Жидкости также легче хранить.

Спирты могут использоваться в качестве сырья для производства многочисленных других нефтехимических продуктов, обеспечивая дополнительный источник дохода для нефтегазовых компаний, а также снижение выбросов углекислого газа от Flaring.Фларинговое использование используется для смягчения более вредного воздействия непосредственно вентиляционного природного газа - метан в 34 раза более сильнее в качестве парникового газа, чем углекислый газ - в атмосферу.

Детали процесса были опубликованы в журнале Science.

Новый процесс для кислородокорновых для спиртов имитирует то, как растения и животные добавляют кислород в углерод-гидроген, чтобы вырабатывать энергию из углеводов, жиров и белков.Углеродные связи в равной степени распространены в молекулах углеводородов, которые составляют ископаемое топливо.

Природные процессы окисления включают фермент, сосредоточенный вокруг реактивного металла-в большинстве случаев, железа-который катализирует вставку атома кислорода между углеродной и водородной связью с образованием C-O-H, спиртной группой.

Много исследований пошло на поиск вариантов этих природных ферментов, которые преобразовали бы газообразные углеводороды из ископаемого топлива в жидкие спирты без энергетического ввода и огромной инфраструктуры, необходимой сегодня в химической промышленности.Но большинство из этих процессов включают в себя искусственные ферменты в жидком растворе.

Инновация в UC Berkeley включает эти реактивные железные участки в жесткую и пористую кристаллическую структуру-металлоорганическую структуру или MOF-которые стабилизируют железо и позволяют легко въезжать в газ и легкий выход жидких спиртов.

«У нас здесь много скважин природного газа, которые слишком малы для создания широкомасштабного объекта вокруг него, чтобы преобразовать этан в этанол или метанол в метанол»,-сказал Джонас Боргель, постдокторский сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, который является первым автором газеты, вместе с бывшим аспирантом Кайпенгом Хоу, ныне постдокторским сотрудником в UCSF.Оба работали в лаборатории Джеффри Лонга, профессора химической и химической и биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Беркли и ученых -факультета в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли).

«Эта система хороша, поскольку она является первым чисто синтетическим, а не ферментативным процессом, который может использовать кислород при почти температуре окружающей среды, чтобы выполнить эти реакции, напоминающие реакционную способность металлофермента», - сказал Боргель.

«Вот где он действительно показывает свой потенциал для преобразования компонентов природного газа в более легко искажающие источники энергии, такие как спирты. Большим преимуществом этого является преобразование природного газа в нечто большее, чем сам газ, и что может быть на самом деле большеэкономически осуществимо “.

Несмотря на то, что процесс все еще усовершенствовается, Бергель сказал, что если он окажется эффективным при производстве спиртов с меньшим энергетическим вводом, чем текущие процессы, он также может быть полезен в крупномасштабных объектах, многие из которых производят мегатоны спиртов в год от природного газа.

«Стандартный способ оксигената углеводородов-это многоэтапный процесс, который включает в себя высокую температуру и гетерогенные катализаторы, которые функционируют только при этих температурах, и это очень энергетическое интенсивное,-сказал он,-тогда как этот процесс может работать при температуре.к температуре окружающей среды - от 25 до 50 ° Цельсия “.

Hou и Börgel впервые отметили, что железосодержащий вариант MOF, называемый MFU-4L, изготовленный в основном из лигандов цинка и органических бис-триазол, может быть химически модифицирован с учетом активного железного (II), который напоминает активное место вНатуральный фермент, называемый тауриновой диоксигеназой (TAUD), который оксиграет аминокислотный таурин.

«Мы были вдохновлены активным участком фермента в TAUD - геометрия вокруг железного центра выглядит очень похоже на координационную геометрию вокруг периферических металлов в узлах этой металлической органической структуры», - сказал он.«Мы подумали, что если мы изменим MOF таким же образом и поставим туда еще один лиганд, который похож на кофактор в ферменте, возможно, мы сможем имитировать реактивность оксигенации C-H, которая имеет фермент. Это оказалось правдой.. ”

«Это отличный пример того, как защищенные ограничиваются в полях MOF, чтобы быть использовано для создания типов высокореактивных металлических сайтов, обнаруженных в ферментах», - сказал Лонг.

Исследователи провели подробный спектроскопический анализ модифицированного MOF и подтвердили, что активный сайт железа (II) действовал так же, как участок железа (II) в TAUD, превращая углеводороды в спирты.

«Сейчас мы пытаемся переехать из нашей научной бумаги, которая была о большой фундаментальной химии, к работе над тем, чтобы сделать это более поддающимся процессу», - сказал Бергель.

Команда Калифорнийского университета в Беркли сотрудничала с коллегами из институтов Макса Планка в Германии, национальной лаборатории Аргонов и Северо -западного университета в Иллинойсе, Университете Милана в Италии, Университете Миссури в Ролла, лаборатории Беркли и UC Davis.

Больше информации: Kaipeng Hou et al., Реактивные сайты с высоким точкой железа (IV)-Oxo посредством активации диоксигена в металлическом органическом рамке, Science (2023).Doi: 10.1126/science.add7417