Метан присутствует в природном газе, которого очень много в земной коре и который нашел множество применений в современных приложениях, в основном в качестве горючего топлива. В качестве альтернативы метан можно превратить в полезную смесь водорода и монооксида углерода, называемую «синтез-газом», путем реакции с диоксидом углерода в так называемом сухом риформинге метана (DRM). Эта реакция DRM называется «в гору», потому что она требует потребления внешней энергии; тепловые реакторы должны иметь высокую температуру более 800 ° C для эффективного преобразования. Достижение таких высоких температур требует сжигания других видов топлива, что приводит к огромным выбросам парниковых газов, которые являются основной причиной изменения климата. Кроме того, использование высоких температур также вызывает дезактивацию обычно используемых катализаторов из-за агрегации и осаждения углерода (так называемое закоксовывание)..
Вместо того, чтобы бороться с такими недостатками систем термического катализа для реакции DRM, исследователи попытались управлять превращением метана при значительно более низких температурах, используя фотокатализаторы, активируемые светом. Несмотря на то, что были предложены различные материалы, подобные фотокатализаторам, оказалось, что получить приемлемые характеристики преобразования при низких температурах сложно.
К счастью, группа исследователей, в том числе профессор Масиро Мияучи, определила многообещающую комбинацию материалов, которая может выступать в качестве эффективного фотокатализатора для преобразования метана в синтез-газ. В частности, исследователи обнаружили, что титанат стронция в сочетании с наночастицами родия превращает метан и углекислый газ в синтез-газ под световым облучением при гораздо более низких температурах, чем те, которые требуются в тепловых реакторах.
Исследователи установили, что предложенный фотокатализатор не только намного более стабилен, чем ранее протестированные катализаторы, но и позволяет избежать других проблем, таких как агрегация (комкование) и закоксовывание («сажа») частиц катализатора. Самое главное, как заявил профессор Мияучи: «Предложенный фотокатализатор позволил нам значительно превзойти ограничения термических катализаторов, обеспечив высокую производительность для производства синтетического газа».
Исследователи также выяснили физические механизмы, с помощью которых предлагаемый фотокатализатор приводит к усиленной конверсии метана. Это понимание особенно важно, поскольку оно имеет значение для других типов метановых реакций. Текущая система требует облучения ультрафиолетовым (УФ) светом, который составляет лишь небольшую часть солнечного света. Тем не менее, «настоящее исследование обеспечивает стратегический способ проведения восходящих реакций с использованием метана и устанавливает связь между промышленностью ископаемого топлива и приложениями возобновляемой энергии. Сейчас мы разрабатываем систему, чувствительную к видимому свету», - заключает профессор Мияучи. Мы надеемся, что эти результаты приведут к более экологичным разработкам и помогут сократить выбросы углерода в будущем.