Молодой учёный ЮФУ исследует преобразование газообразного метана в жидкий метанол с помощью ИИ

Результаты исследования позволят снизить объёмы вредных выбросов при добыче газа и улучшить экологию Земли. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) по приоритетному направлению «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов.

В качестве катализатора реакции рассматриваются медь-обменные цеолиты. Их пористая каркасная структура отличается большой вариативностью, что позволяет регулировать селективность, а функционализация таких систем атомами меди делает их перспективными катализаторами для целого ряда важных окислительно-восстановительных реакций, в том числе реакции прямой конверсии метан-метанол (MTM).

«Механизмы MTM реакции были подсмотрены зарубежными учёными у метанотрофных бактерий, где роль естественного катализатора играют выделяемые бактериями фермент монооксигеназы. Исследование структуры данных ферментов показало, что они имеют обособленные металлические центры, представленные малой группой атомов или даже одиночными ионами, которые вероятно и отвечают за активацию молекул метана», – отметил к.ф-м.н старший научный сотрудник Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Илья Панкин.

По словам учёных, вопрос исследования взаимосвязи структуры активных центров и производительности искусственно воссозданных single-site катализаторов на основе цеолитов имеет принципиальное значение для поиска катализаторов с желаемыми параметрами селективности и конверсии.

Цеолиты известны способностью к ионному обмену – они могут избирательно выделять и поглощать различные вещества, а также обмениваться заряженными частицами. Известна широкая вариативность в формировании различных конфигураций активных центров меди.

В ЮФУ под руководством молодого учёного Ильи Панкина хотят использовать систематизированный подход, совмещающий квантово-химические расчёты, передовые методы предсказания структуры на основе эволюционных алгоритмов, разработанных д.ф-м.н, профессором Сколковского института науки и технологий Артемом Огановым (код USPEX), а также методы анализа спектров рентгеновского поглощения XANES в рамках разрабатываемых в МИИ интеллектуальных материалов ЮФУ алгоритмов на основе машинного обучения.

«В частности, в рамках методов на основе теории функционала плотности (DFT) планируется получить структурные модели активных центров меди в цеолитах топологии шабазит и морденит и исследовать их способность к активации молекул метана при различных условиях протекания реакции (температурах и парциальном давление метана в реакционной смеси)», – дополнил Илья Панкин.

Понимание взаимосвязи между структурой активных центров и каталитическими свойствами позволят в дальнейшем получать катализаторы на основе медь-обменных цеолитов с улучшенными параметрами конверсии метана.

Превращение газообразного метана напрямую в жидкий метанол позволит снизить объёмы вредных выбросов при добыче газа, а сам метанол широко используется во многих отраслях промышленности, прежде всего, в химической. Разработка производительных и термически стабильных катализаторов позволит решить проблему производства метанола и придать добавочную стоимость нефтегазовой отрасли, ведь даже сегодня большая часть попутного газа попросту сжигается, что оставляет также неблагоприятный экологический след.

Исследования выполняются в рамках выполнения проекта РНФ № 21–73–00309.

Планируемые в ходе проекта результаты исследования могут в дальнейшем быть использованы при разработке в рамках «Приоритет 2030» технологий полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов низкоуглеродной экономики.

Напомним, Южный федеральный университет вошёл в число победителей базовой части и исследовательского трека федеральной программы «Приоритет 2030».

Программа «Приоритет-2030» позволит сконцентрировать ресурсы для обеспечения вклада российских университетов в достижение национальных целей развития Российской Федерации на период до 2030 года, повысить научно-образовательный потенциал университетов и научных организаций, а также обеспечить их участие в социально-экономическом развитии субъектов Российской Федерации.