Люди часто задумываются о возможности «поймать молнию в бутылке» и о том, что это могло бы дать. Исследователи из Северо-Западного университета разработали технологию, позволяющую использовать плазму, напоминающую молнию, для получения чистого топлива — метанола — из метана. Обычно этот процесс требует значительных энергетических затрат, но новая методика использует плазму в стеклянных трубках для преобразования метана в метанол с меньшими затратами энергии.

Значение метанола

Метанол широко применяется в промышленности и быту. Он используется при производстве пластмасс, кислот, а также в качестве топлива для транспорта, морских судов и кухонных плит. Кроме того, метанол служит промышленным растворителем и применяется для очистки сточных вод.

Традиционные методы производства

Стандартное производство метанола — это многоступенчатый и энергоёмкий процесс, начинающийся с разложения метана при температуре около 800 °C на углекислый газ и водород. Затем эти газы соединяют и катализируют под давлением 200–300 атмосфер для образования метанола. Такой подход требует больших ресурсов для поддержания высоких температур и давления, а также приводит к образованию углекислого газа.

Проблемы традиционного подхода

Производство метанола связано с необходимостью экстремальных условий для разложения метана, а также с тем, что полученный метанол быстро разлагается до углекислого газа. Это создает дополнительную задачу — остановить реакцию на нужном этапе, чтобы сохранить метанол.

Новый подход с использованием плазмы

Для решения этих задач была создана система, в которой короткие электрические импульсы генерируют плазму внутри реактора, заполненного водой. Метан подается через пористую стеклянную трубку с катализатором из оксида меди. При подаче высоковольтных импульсов газ кратковременно превращается в плазму, образуя реакционноспособные фрагменты из метана и воды.

Механизм и преимущества технологии

Образующиеся фрагменты быстро рекомбинируют с образованием метанола, который немедленно поглощается окружающей водой. Быстрое поглощение позволяет остановить реакцию вовремя и предотвратить дальнейшее разложение метанола до углекислого газа, что является одним из основных ограничений традиционных методов.

Для повышения эффективности в систему добавляется аргон. В плазменном состоянии аргон становится реакционноспособным, что помогает стабилизировать реакцию и уменьшить количество побочных продуктов. В результате достигается высокая селективность по метанолу, а также образуются полезные побочные продукты, такие как водород и этилен.

Перспективы применения

Технология позволяет отказаться от необходимости экстремальных температур и давления, что снижает стоимость, энергозатраты и экологический след производства метанола. Процесс становится проще: метан преобразуется в метанол за один этап с минимальным количеством побочных продуктов.

В настоящее время установка работает в лабораторных масштабах. При успешном масштабировании технология позволит создавать распределённые системы, которые смогут преобразовывать метан непосредственно на месте его добычи или утечки, превращая этот парниковый газ в ценный промышленный продукт.

Команда продолжает работу по оптимизации системы и поиску способов эффективного извлечения и очистки метанола как конечного продукта. Исследование опубликовано в журнале Journal of the American Chemical Society.