Mọi người thường nghĩ việc "bỏ tia sét vào chai" như một phép ẩn dụ tưởng tượng, nhưng họ hiếm khi tưởng tượng được điều gì khác có thể làm tiếp theo nếu việc đó thực sự được thực hiện. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern không chỉ “bẫy sét” trong phòng thí nghiệm mà còn sử dụng nó để tạo ra nhiên liệu sạch hơn là metanol. Họ sử dụng plasma chứa trong ống thủy tinh để chuyển đổi trực tiếp khí mê-tan thành metanol, làm giảm đáng kể sự phụ thuộc của các quy trình truyền thống vào năng lượng và điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Manol là một hóa chất cơ bản có nhiều ứng dụng. Nó là nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất một số loại nhựa và axit, đồng thời có thể được sử dụng làm nhiên liệu sạch cho ô tô, tàu thủy và bếp nấu ăn. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong dung môi công nghiệp và xử lý nước thải. Tuy nhiên, lộ trình chủ đạo hiện nay để sản xuất metanol trong ngành cực kỳ tiêu tốn năng lượng và phức tạp, và điểm khởi đầu cũng là khí metan. Trong quy trình truyền thống, khí metan trước tiên được tách thành carbon dioxide và hydro trong hơi nước ở nhiệt độ cao khoảng 800 độ C, sau đó kết hợp lại thông qua phản ứng xúc tác để tạo ra các phân tử metanol trong một thiết bị khác ở áp suất cao khoảng 200 đến 300 atm. Mặc dù công nghệ của tuyến đường này đã trưởng thành nhưng việc duy trì nhiệt độ và áp suất cao như vậy sẽ tiêu tốn rất nhiều năng lượng và thải ra một lượng lớn carbon dioxide, đi ngược lại yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về giảm phát thải.

Cộng đồng khoa học đang tìm kiếm một giải pháp thay thế đơn giản hơn, ít tốn năng lượng hơn, nhưng bản thân việc sản xuất metanol lại gặp phải một khó khăn khác. Chắc chắn không dễ để phân hủy khí mê-tan trong điều kiện khắc nghiệt. Ngay cả khi metanol được sản xuất thành công, bản thân các phân tử metanol vẫn có khả năng phản ứng cực cao và có thể dễ dàng tiếp tục phản ứng và bị oxy hóa thêm thành carbon dioxide. Điều này có nghĩa là quá trình này không chỉ phải "phá vỡ" khí mê-tan mà còn phải "nhấn phanh" đúng lúc để chấm dứt quá trình phản ứng kịp thời, điều này không dễ đạt được trong kỹ thuật.

Để giải quyết hai thách thức chính này, nhóm Đại học Northwestern đã đề xuất một hệ thống mới có thể gọi là "tia sét trong chai". Thay vì dựa vào nhiệt độ và áp suất cực cao, các nhà nghiên cứu sử dụng các xung điện ngắn, năng lượng cao trong lò phản ứng chứa đầy nước để tạo ra plasma - trạng thái năng lượng cao của vật chất tương tự như sét - trong ống thủy tinh. Bên trong lò phản ứng, khí metan được dẫn vào ống thủy tinh xốp, bề mặt thành ống được nạp chất xúc tác oxit đồng; Khi tác dụng một xung điện cao thế, khí trong ống ngay lập tức được chuyển hóa thành plasma, khiến các phân tử metan và nước bị phá vỡ cùng lúc tạo thành các mảnh có khả năng phản ứng cao.

Các mảnh này sẽ kết hợp lại để tạo thành metanol trong thời gian rất ngắn và nước trong lò phản ứng sẽ ngay lập tức "hòa tan và lấy đi" metanol được tạo ra. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng sự hấp thụ nhanh chóng này là rất quan trọng, tương đương với việc "đóng băng" phản ứng tại một nút lý tưởng để ngăn metanol tiếp tục bị oxy hóa thành carbon dioxide, về cơ bản bỏ qua vấn đề phản ứng quá mức không thể tránh khỏi trong các quy trình truyền thống.

Để nâng cao hiệu quả hơn nữa, nhóm còn đưa khí argon vào hệ thống. Argon cực kỳ trơ về mặt hóa học trong điều kiện bình thường, nhưng trong môi trường plasma nó tham gia vào các phản ứng giúp ổn định quá trình phóng điện và ngăn chặn các phản ứng phụ không mong muốn. Trong điều kiện vận hành này, độ chọn lọc của hệ thống đối với metanol được cải thiện đáng kể, đồng thời tạo ra một lượng nhỏ sản phẩm phụ có giá trị, chẳng hạn như hydro và ethylene.

Dayne Swearer, đồng tác giả của bài báo, cho biết ngoài metanol, hệ thống này còn sản xuất ethylene và hydro, cũng như một lượng nhỏ propan, vốn là những hóa chất hoặc nhiên liệu có giá trị cao hơn. Ethylene là một monome tiền chất quan trọng để sản xuất nhựa và hydro là một hóa chất cơ bản quan trọng và là nhiên liệu không có carbon. Ông nhấn mạnh: "Chúng tôi đã sử dụng lượng khí metan rất dồi dào để đổi lấy metanol, ethylene, hydro và một lượng nhỏ propan. Bản thân những sản phẩm này có giá trị kinh tế cao hơn".

Nhìn chung, công nghệ này được coi là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực điều chế metanol. Đầu tiên, về cơ bản, nó loại bỏ nhu cầu về nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt, giảm đáng kể chi phí sản xuất, mức tiêu thụ năng lượng và dấu chân môi trường. Thứ hai, quy trình mới nén quy trình phức tạp và nhiều giai đoạn ban đầu thành phản ứng gần đúng một bước: khí mê-tan được chuyển đổi trực tiếp thành metanol trong cùng một hệ thống, đồng thời giảm thiểu các sản phẩm phụ vô dụng hoặc có hại.

Hiện tại, thiết bị "tia sét trong chai" này vẫn ở quy mô phòng thí nghiệm, nhưng nếu có thể mở rộng quy mô thành công trong tương lai, nó dự kiến ​​sẽ hiện thực hóa một hệ thống phân tán để chuyển đổi khí mê-tan tại chỗ. Các nhà nghiên cứu hình dung rằng những thiết bị như vậy có thể được triển khai ở những địa điểm xa xôi hoặc những nơi có rò rỉ khí mê-tan để chuyển đổi trực tiếp loại khí nhà kính dồi dào nhưng hiệu quả cao này thành các hóa chất công nghiệp có giá trị. Sweller chỉ ra rằng phương pháp thông thường hiện nay để xử lý khí mêtan bị rò rỉ là đốt cháy nó ngay tại chỗ và chuyển khí mêtan thành carbon dioxide. Mặc dù hiệu ứng nhà kính thấp hơn một chút so với khí mê-tan nhưng nó vẫn sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng nóng lên của khí hậu. Và nếu lò phản ứng nhỏ được đưa trực tiếp đến nguồn rò rỉ, khí mê-tan lẽ ra bị đốt cháy trực tiếp có thể biến thành nhiên liệu lỏng có thể vận chuyển được.

Tiếp theo, nhóm sẽ tiếp tục tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và khám phá cách thu hồi và tách hiệu quả các sản phẩm metanol có độ tinh khiết cao. Kết quả nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.