Превращать метиловый спирт в этиловый под воздействием солнечного ультрафиолета научились исследователи из университета Макгилла в канадском Монреале, 19 февраля сообщает научный портал Science.

Катализатором (соединение, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней) для такого превращения послужил нитрид галлия (GaN) — один из классических полупроводниковых материалов. Поясним, что полупроводниками называют твердые вещества, проводимость которых резко меняется при повышении температуры и поглощении некоторых излучений.

Ученые установили, что превращение метилового спирта (метанола) в этиловый (этанол) на поверхности GaN идет через промежуточное образование метилена (CH₂). Эта простейшая частица из группы карбенов содержит не четырех-, а двухвалентный углерод, что делает ее короткоживущей и исключительно реакционноспособной.

Начинается же всё с поглощения ультрафиолетовых лучей Солнца, из-за чего поверхность материала приобретает избыточный отрицательный заряд. Чтобы оптимизировать поглощение, ученые разработали специальную нанопроволоку на основе GaN (1 нанометр (нм) = 10^-9 метра)

Молекула метанола (CH₃OH), адсорбированная на отрицательно заряженной поверхности GaN, легко теряет воду (H₂O). Высвободившийся метилен, в свою очередь, присоединяется к другой молекуле CH₃OH и «достраивает» ее до молекулы этилового спирта (C₂H₅OH).

Химик Чжунмин Лю — коллега монреальцев из Даляньского института химической физики в Китае — считает, что предложенный способ конверсии CH₃OH в C₂H₅OH «потенциально может изменить мир». В то же время сами руководители проекта осознают, что до промышленного внедрения разработанной ими технологии пока далеко.

В самом деле, чтобы сделать конверсию метанола экономически рентабельной, нужно проработать конструкцию нанопроволоки таким образом, чтобы она поглощала не ультрафиолет, а видимое излучение, которое преобладает в спектре солнечного света. Работа в этом направлении еще только предстоит канадским ученым.

Отметим, та же исследовательская группа из университета Макгилла уже в течение нескольких лет пытается оптимизировать наноразмерный нитрид галлия для катализа промышленно значимых процессов. Так, в 2014 году они смогли похожим образом превратить метан (CH₄) в бензол (C₆H₆) в присутствии GaN.

Отметим также, превращение метанола, который легко получить из древесины, в более труднодоступный этанол имеет важное прикладное значение в энергетике. Если метиловый спирт дает при сгорании в два раза меньше теплоты, чем бензин, то этиловый может сравниться с моторным топливом по этому показателю.

-----------------------------------------------------------------------

Биомасса нам поможет: получать искусственное горючее стало гораздо проще

Производить жидкое топливо из биомассы с хорошей эффективностью научились ученые из Японии и Китая, сообщает научный портал Nature 19 сентября со ссылкой на журнал Nature Catalysis.

Ученые усовершенствовали классический процесс Фишера-Тропша, позволяющий превращать каменный уголь в синтетическое моторное топливо. Реакция ускорялась наночастицами кобальта, которые использовались вместо металлического порошка. Чтобы достичь еще большей эффективности, катализатор предварительно наносили не на оксид алюминия (Al₂O₃) или силикагель (SiO₂), как это делали раньше, а на цеолит — алюмосиликатный минерал с диаметром пор порядка 10^–8м.

В отличие от оригинальной методики 1920-х гг., сырьем для такого производства может служить не только уголь, но и другие, более доступные источники органического углерода — например, растительная биомасса (фитомасса). Варьируя состав цеолитной подложки, исследователи получали синтетический бензин, керосин и дизельное топливо с эффективностью 74, 72 и 58%, соответственно. Примечательно, что готовый продукт можно не очищать от твердых восков, за счет чего классическая трехстадийная схема Фишера-Тропша сводится к двухстадийной.

Отметим, что производить синтетическое моторное топливо первыми научились немцы во времена Веймарской республики. Поскольку Германия была отрезана от нефтяных месторождений, зато обладала большими запасами угля, тамошние химики пытались искусственно превратить его в жидкое горючее. Впервые это удалось в 1919 году Фридриху Бергиусу. Ученый подобрал оптимальное давление водорода (H₂) и температуру, при которых уголь ожижается с приемлемым выходом.

Более известен процесс Фишера-Тропша, разработанный в той же Германии спустя 6 лет. В первоначальном исполнении методика включала три стадии. Сначала сквозь раскаленную угольную массу продувают перегретый водяной пар, что приводит к образованию так называемого синтез-газа, состоящего из H₂ и монооксида углерода (CO). Полученный продукт пропускают над железным или кобальтовым катализатором, получая смесь твердых (воски) и жидких углеводоров. Ее, в свою очередь, разделяют на топливные фракции, предварительно избавившись от восков путем так называемого гидрокрекинга.

В нацистской Германии производство жидкого синтетического горючего (так называемого когазина) велось на широкую ногу. В частности, топливо для моторизованных частей вермахта почти целиком производили из угля, добытого в Рурском бассейне.

По окончанию Второй мировой войны ожижение твердого топлива из-за низкой рентабельности и открытия новых нефтяных месторождений практически сошло на нет. Однако оно по-прежнему актуально в некоторых провинциях Китая, где добыча угля обходится необычайно дешево.

Производство синтетического бензина также наладили с 1950-х гг. в Южно-Африканской Республике (ЮАР), которая во времена апартеида испытывала нехватку нефти в связи с международными санкциями. Процесс Фишера-Тропша адаптировала под местные нужды компания Sasol Ltd., существующая и по сей день.

Возможное возрождение отрасли связывают с поиском новых и модернизацией существующих катализаторов. Экспериментальные производства синтетического моторного топлива с начала 1990-х гг. имеют нефтяные гиганты Exxon и Shell, равно как и менее крупные компании.