Das neue Verfahren wandelt Methangas in flüssiges Methanol um.
Einem Forscherteam ist es gelungen, Methan mithilfe von Licht und gestreuten Übergangsmetallen wie Kupfer in einem als Photooxidation bekannten Prozess in Methanol umzuwandeln. Laut einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie war die Reaktion bisher die beste, die bei der Umwandlung von Methangas in flüssigen Kraftstoff bei Umgebungstemperatur und -druck (25 °C bzw. 1 bar) erreicht wurde Chemical Communications.
Der Begriff bar als Druckeinheit kommt vom griechischen Wort für Gewicht (baros). Ein Bar entspricht 100,000 Pascal (100 kPa), nahe dem Standard-Atmosphärendruck auf Meereshöhe (101,325 Pa).
Die Ergebnisse der Studie sind ein entscheidender Schritt, um Erdgas als Energiequelle für die Herstellung alternativer Kraftstoffe zu Benzin und Diesel zugänglich zu machen. Obwohl Erdgas ein fossiler Brennstoff ist, entsteht bei seiner Umwandlung in Methanol weniger Kohlendioxid (CO2) als bei anderen flüssigen Brennstoffen derselben Kategorie.
Die Umwandlung fand unter Umgebungstemperatur- und Druckbedingungen statt, die es ermöglichen könnten, Methan, ein starkes Treibhausgas, zur Herstellung von Kraftstoff zu verwenden. Bildnachweis: UFSCAR
Methanol ist für die Biodieselproduktion und die chemische Industrie in Brasilien von entscheidender Bedeutung, wo es zur Synthese einer Vielzahl von Produkten verwendet wird.
Darüber hinaus ist die Sammlung von Methan aus der Atmosphäre entscheidend für die Milderung der negativen Folgen des Klimawandels, da das Gas beispielsweise das 25-fache Potenzial hat, zur globalen Erwärmung beizutragen, wie beispielsweise CO2.
„Es gibt eine große Debatte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die Größe der Methanreserven des Planeten. Einigen Schätzungen zufolge haben sie möglicherweise das doppelte Energiepotenzial aller anderen fossilen Brennstoffe zusammen. Beim Übergang zu erneuerbaren Energien müssen wir irgendwann all dieses Methan anzapfen“, sagte Marcos da Silva, Erstautor des Artikels, gegenüber der Agência FAPESP. Silva ist ein Ph.D. Kandidat am Fachbereich Physik der Bundesuniversität São Carlos (UFSCar).
Die Studie wurde von FAPESP, dem Higher Research Council (CAPES, einer Agentur des Bildungsministeriums) und dem National Council for Scientific and Technological Development (CNPq, einer Abteilung des Ministeriums für Wissenschaft, Technologie und Innovation) unterstützt.
Laut Ivo Freitas Teixeira, Professor bei UFSCar, Silvas Doktorvater und Letztautor des Artikels, war der in der Studie verwendete Photokatalysator eine Schlüsselinnovation. „Unsere Gruppe hat durch die Oxidation von Methan in einer einzigen Stufe eine bedeutende Innovation erzielt“, sagte er. „In der chemischen Industrie erfolgt diese Umwandlung über die Produktion von Wasserstoff und CO2 in mindestens zwei Stufen und unter sehr hohen Temperatur- und Druckbedingungen. Unser Erfolg, Methanol unter milden Bedingungen zu gewinnen und gleichzeitig weniger Energie zu verbrauchen, ist ein großer Schritt nach vorne.“
Laut Teixeira ebnen die Ergebnisse den Weg für zukünftige Forschungen zur Nutzung von Sonnenenergie für diesen Umwandlungsprozess, wodurch die Umweltbelastung möglicherweise noch weiter reduziert wird.
Photokatalysatoren
Im Labor synthetisierten die Wissenschaftler kristallines Kohlenstoffnitrid in Form von Polyheptazinimid (PHI) unter Verwendung unedler oder auf der Erde reichlich vorhandener Übergangsmetalle, insbesondere Kupfer, um aktive Photokatalysatoren für sichtbares Licht herzustellen.
Anschließend nutzten sie die Photokatalysatoren in Methanoxidationsreaktionen mit Wasserstoffperoxid als Initiator. Der Kupfer-PHI-Katalysator erzeugte ein großes Volumen an sauerstoffhaltigen Flüssigprodukten, insbesondere Methanol (2,900 Mikromol pro Gramm Material oder µmol.g-1 in vier Stunden).
„Wir haben den besten Katalysator und andere für die chemische Reaktion wesentliche Bedingungen entdeckt, wie die Verwendung einer großen Menge Wasser und nur einer kleinen Menge Wasserstoffperoxid, das ein Oxidationsmittel ist“, sagte Teixeira. „Die nächsten Schritte beinhalten ein besseres Verständnis der aktiven Kupferstellen im Material und ihrer Rolle in der Reaktion. Wir planen auch, Sauerstoff direkt zu verwenden, um Wasserstoffperoxid in der Reaktion selbst herzustellen. Das soll im Erfolgsfall das Verfahren noch sicherer und wirtschaftlicher machen.“
Ein weiterer Punkt, den die Gruppe weiter untersuchen wird, betrifft Kupfer. „Wir arbeiten mit dispergiertem Kupfer. Als wir den Artikel schrieben, wussten wir nicht, ob wir es mit isolierten Atomen oder Clustern zu tun hatten. Wir wissen jetzt, dass es Cluster sind“, erklärte er.
In der Studie verwendeten die Wissenschaftler reines Methan, künftig werden sie das Gas aber aus nachwachsenden Rohstoffen wie Biomasse gewinnen.
Nach Angaben der Vereinten Nationen hat Methan seit dem vorindustriellen Zeitalter bisher etwa 30 % der globalen Erwärmung verursacht. Die durch menschliche Aktivitäten verursachten Methanemissionen könnten in den kommenden zehn Jahren um bis zu 45 % reduziert werden, wodurch ein Anstieg von fast 0.3 °C bis 2045 vermieden werden könnte.
Die Strategie, Methan mithilfe eines Photokatalysators in flüssigen Kraftstoff umzuwandeln, ist neu und kommerziell nicht verfügbar, aber ihr kurzfristiges Potenzial ist beträchtlich. „Wir haben unsere Forschung vor über vier Jahren begonnen. Wir haben jetzt weitaus bessere Ergebnisse als die von Professor Hutchings und seiner Gruppe im Jahr 2017, was unsere eigene Forschung motiviert hat“, sagte Teixeira und bezog sich auf eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Wissenschaft von Forschern, die mit Universitäten in den Vereinigten Staaten und im Vereinigten Königreich verbunden sind, und von Graham Hutchings, einem Professor an der University of California, geführt Cardiff University in Wales.
References:
„Selektive Methan-Photooxidation zu Methanol unter milden Bedingungen, gefördert durch hochdisperse Cu-Atome auf kristallinen Kohlenstoffnitriden“ von Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro und Ivo F. Teixeira, 31. Mai 2022, Chemical Communications.
DOI: 10.1039 / D2CC01757A
„Wässrige Au-Pd-Kolloide katalysieren selektives CH4 Oxidation zu CH3OH mit O2 unter milden Bedingungen“ von Nishtha Agarwal, Simon J. Freakley, Rebecca U. McVicker, Sultan M. Althaban, Nikolaos Dimitratos, Qian He, David J. Morgan, Robert L. Jenkins, David J. Willock, Stuart H. Taylor, Christopher J. Kiely und Graham J. Hutchings, 7. September 2017, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.aan6515
