Brasilianische Wissenschaftler enthüllen Methode zur Umwandlung von Methangas in flüssiges Methanol

Einer Gruppe von Forschern ist es gelungen, Methan mithilfe von Licht und dispergierten Übergangsmetallen wie Kupfer in einem als Photooxidation bekannten Prozess in Methanol umzuwandeln. Die Reaktion war die beste, die bisher für die Umwandlung von Methangas in flüssigen Brennstoff unter Umgebungsbedingungen von Temperatur und Druck (25 °C bzw. 1 bar) erzielt wurde.

Der Begriff bar als Druckeinheit leitet sich vom griechischen Wort für Gewicht (baros) ab. Ein Bar entspricht 100.000 Pascal (100 kPa), was sehr nahe am normalen atmosphärischen Druck auf Meereshöhe liegt (101.325 Pa).

Die Ergebnisse der Studie sind ein wichtiger Schritt, um Erdgas als Energieträger für die Herstellung alternativer Kraftstoffe zu Benzin und Diesel verfügbar zu machen. Obwohl Erdgas als fossiler Brennstoff gilt, wird bei seiner Umwandlung in Methanol weniger Kohlendioxid (CO2) freigesetzt als bei anderen flüssigen Brennstoffen derselben Kategorie.

In Brasilien spielt Methanol eine Schlüsselrolle bei der Biodieselproduktion und in der chemischen Industrie, die daraus viele Produkte synthetisiert.

Darüber hinaus ist die Abscheidung von Methan aus der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, da das Gas beispielsweise das 25-fache Potenzial hat, zur globalen Erwärmung beizutragen.

„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 dieses ganze Methan irgendwann anzapfen“, sagte Marcos da Silva, Erstautor des Artikels, gegenüber der Agência FAPESP. Silva ist Doktorandin am Fachbereich Physik der Bundesuniversität São Carlos (UFSCar).

Laut Ivo Freitas Teixeira, Professor bei UFSCar, Silvas Doktorvater und letzter Autor 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 Cardiff University in Wales, geleitet.

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