Dekarbonisierung der chemischen Industrie 22.05.2024, 13:00 Uhr

Neuer Katalysator verwandelt Methan nachhaltig in wertvolle Chemikalien

Die Umwandlung von Methan in Methanol und anschließend in Kohlenwasserstoffe ist sehr energieintensiv. Forschende haben nun einen neuartigen Katalysator entwickelt, der Methan auf nachhaltige Weise in wertvolle Chemikalien umwandelt.

Methan

Methan besteht aus vier Wasserstoff-Atomen, die über einfache Elektronenpaarbindungen mit einem Kohlenstoff-Atom verbunden sind.

Foto: PantherMedia / vchalup2

Traditionell wird Methan in Methanol umgewandelt, welches dann in Kohlenwasserstoffe überführt wird – ein Prozess, der aufgrund der Stabilität des Methanmoleküls und der energieintensiven Methandampfreformierung komplexe industrielle Systeme erfordert. Angesichts des dringenden Bedarfs an energieeffizienteren und nachhaltigeren Lösungen hat ein japanisches Forschungsteam seine Aufmerksamkeit auf die katalytische Umwandlung von Methan in Methanol und andere Chemikalien gelenkt.

Neue Wege für nachhaltige Umwandlung von Methan gesucht

Methan ist ein starkes Treibhausgas und eine wichtige Energiequelle. Es dient auch als bedeutendes chemisches Ausgangsmaterial. Normalerweise wird Methan zuerst in Methanol und dann in Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Dieser Prozess ist jedoch sehr aufwendig, da Methan ein stabiles Molekül ist. Die herkömmliche Methandampfreformierung erfordert viel Energie.

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Deshalb suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach neuen Wegen, um Methan effizienter und nachhaltiger umzuwandeln. Besonders die katalytische Umwandlung von Methan in Methanol hat viel Aufmerksamkeit erhalten. Kupferhaltige Zeolithe zeigen hier unter milden Bedingungen vielversprechende Ergebnisse. Allerdings haben viele dieser Katalysatoren noch Probleme mit der Ausbeute und Selektivität. Sie produzieren neben Methanol auch viele unerwünschte Nebenprodukte.

Neuer Zeolithkatalysator wandelt Methan effizient um

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie untersuchte ein Forscherteam um Associate Professor Toshiyuki Yokoi vom Tokyo Institute of Technology einen neuartigen Zeolithkatalysator. Dieser kupferhaltige Zeolith auf Aluminosilikatbasis kann Methan und Distickstoffoxid, ein weiteres Treibhausgas, direkt in wertvolle Verbindungen umwandeln.

Die Forschenden konzentrierten sich darauf, wie die räumliche Verteilung der aktiven Stellen im Katalysator die Reaktionen beeinflusst. Dazu stellten sie mehrere Katalysatoren her. Sie experimentierten mit unterschiedlichen Konzentrationen von Kupfer und sauren Stellen (Protonen) in wässrigen Lösungen. Zudem verwendeten sie verschiedene physikalische Mischtechniken für feste Proben, um die Leistung der Katalysatoren zu optimieren.

Geichmäßige Verteilung der Kupfer- und Säurestellen erforderlich

Durch verschiedene Experimente und Analysen entdeckten die Forscher, dass die Nähe zwischen Kupferstellen und sauren Stellen entscheidend für die Reaktionsprodukte ist. Liegen die Kupferstellen nahe beieinander, wird das aus Methan hergestellte Methanol oft überoxidiert und in Kohlendioxid umgewandelt. Sind hingegen Kupferstellen und saure Stellen nah beieinander, reagiert das Methanol mit Distickstoffoxid und bildet wertvolle Kohlenwasserstoffe sowie harmloses Stickstoffgas.

„Für eine stabile und effiziente Produktion von Methanol und nützlichen Kohlenwasserstoffen aus Methan ist eine gleichmäßige Verteilung der Kupfer- und Säurestellen erforderlich,“ erklärt Yokoi. „Die Produkte hängen auch von den Säureeigenschaften und der Porenstruktur des Zeolith-Katalysators ab.“

Mehre Reaktionsschritte in einem einzigen Prozess

Ein bemerkenswerter Vorteil des neuen Katalysators ist laut Forschungsteam seine Fähigkeit, Tandemreaktionen aufrechtzuerhalten. Dabei werden mehrere Reaktionsschritte in einem einzigen Prozess zusammengefasst. So können zwei verschiedene schädliche Treibhausgase gleichzeitig beseitigt werden. Diese Eigenschaft macht den Katalysator für die Industrie besonders attraktiv.

„Unsere Arbeit soll künftige Bemühungen zur Oxidation von Methan zu Methanol leiten und Wege zur Kohlenwasserstoffsynthese mit Methanol als Zwischenprodukt eröffnen,“ erklärt Yokoi. Diese Studie könnte ein Sprungbrett für die Dekarbonisierung der chemischen Industrie sein und zur Verwirklichung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft beitragen.

Kleiner Exkurs über Methan

Besonders in den letzten Jahrzehnten hat Methan an Bedeutung gewonnen, da es direkt mit dem menschengemachten Treibhauseffekt und somit dem Klimawandel in Verbindung steht. Methan zählt zu den schädlichsten Treibhausgasen und wirkt zehn bis zwanzig Mal stärker als Kohlendioxid. Selbst kleine Mengen können bereits großen Schaden anrichten. Daher ist es nach Kohlendioxid das zweitwichtigste Treibhausgas.

Erdgas besteht größtenteils aus Methan. Beim Abbau von Öl, Erdgas und Kohle wird Methan freigesetzt. Auch Kühe stoßen bei jedem Rülpser oder Pups Methan aus – etwa 100 kg pro Jahr. Neben der Gewinnung aus Erdgas wird Methan auch als Biogas aus organischen Abfällen in Biogasanlagen produziert.

Methan wird häufig zum Heizen genutzt und dient als alternativer Brennstoff. Zudem ist es ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung organischer Verbindungen und zur Wasserstoffproduktion. Methan gehört zur homologen Reihe der Alkane und ist der einfachste Vertreter. Es besteht aus vier Wasserstoff-Atomen, die über einfache Elektronenpaarbindungen mit einem Kohlenstoff-Atom verbunden sind. Dadurch gehört Methan zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen. Nach dem Elektronenpaarabstoßungsmodell bilden die Wasserstoff-Atome die Ecken eines Tetraeders, während das Kohlenstoff-Atom zentral in der Mitte steht.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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