Methode zur Umwandlung von Methan in Methanol

Veröffentlicht amAutorgh

Entdeckung brasilianischer Wissenschaftler

In Brasilien spielt Methanol eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Biodiesel und in der chemischen Industrie, die es für die Synthese zahlreicher Produkte verwendet. Darüber hinaus ist die Abscheidung von Methan aus der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, da das Gas 25mal mehr (laut IPCC 84mal) zur globalen Erwärmung beitragen kann als beispielsweise CO2. Eine Mitteilung der Staatlichen Stiftung zur Unterstützung der Forschung in São Paulo.

Noch ohne Methanol: Zapfhähne in Berlin – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Einer Forschergruppe ist es demnach gelungen, mit Hilfe von Licht und dispergierten (vermischten) Übergangsmetallen wie Kupfer in einem als Photooxidation bezeichneten Prozess Methan in Methanol umzuwandeln. Die Reaktion war die beste, die bisher für die Umwandlung von Methangas in flüssigen Kraftstoff unter Umgebungsbedingungen (25 °C und 1 bar) erzielt wurde. Die Umwandlung fand bei Umgebungstemperatur und -druck statt, was die Nutzung von Methan, einem starken Treibhausgas, zur Kraftstoffherstellung ermöglichen könnte.

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

Die im vergangenen Jahr von Forscher um Philip Duffy vom Woodwell Climate Research Center im US-Bundesstaat Massachusetts im Auftrag der Unternehmensberatung McKinsey publizierte Arbeit „Curbing methane emissions: How five industries can counter a major climate threat“ wirft einen Blick auf die größten Methan-Ausscheider. Global werden jährlich etwa 380 Millionen Tonnen Methan freigesetzt, die fast alle aus fünf Branchen stammen: Die Landwirtschaft stößt 40 bis 50 Prozent der weltweiten Methanemissionen aus, die Öl- und Gasindustrie rund 20 bis 25 Prozent, der Kohlebergbau 10 bis 15 Prozent. Dazu kommt die Abfall- und Abwasserwirtschaft mit jeweils sieben bis zehn Prozent. Auch in Deutschland sind Klärwerke und Mülldeponien eine Quelle, der größte Teil wird aber auch hier in der Land- und Forstwirtschaft freigesetzt, vor allem in der Massentierhaltung, wenn Rinder und andere Wiederkäuer verdauen.

„In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es eine große Debatte über die Größe der Methanreserven der Erde. Einigen Schätzungen zufolge könnte ihr Energiepotenzial doppelt so groß sein wie das aller anderen fossilen Brennstoffe zusammen. Bei der Umstellung auf erneuerbare Energien müssen wir irgendwann all dieses Methan anzapfen“, erklärte Marcos da Silva, Erstautor des Artikels, gegenüber der Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. Silva ist Doktorand an der Fakultät für Physik der Bundesuniversität São Carlos (UFSCar).

Laut Ivo Freitas Teixeira, Professor an der UFSCar, Silvas Doktorvater und letzter Autor des Artikels, war der in der Studie verwendete Photokatalysator eine wichtige Innovation. „Unsere Gruppe hat mit der Oxidation von Methan in einem einzigen Schritt 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. Dass es uns gelungen ist, Methanol unter milden Bedingungen und mit geringerem Energieaufwand zu gewinnen, ist ein großer Schritt nach vorn. Laut Teixeira ebnen die Ergebnisse den Weg für künftige Forschungen zur Nutzung der Sonnenenergie für diesen Umwandlungsprozess, wodurch die Umweltauswirkungen noch weiter verringert werden könnten.

Photokatalysatoren

Im Labor synthetisierten die Wissenschaftler kristallines Kohlenstoffnitrid in Form von Polyheptazinimid (PHI) unter Verwendung von nicht edlen oder erdreichen Übergangsmetallen, insbesondere Kupfer, um aktive Photokatalysatoren für sichtbares Licht herzustellen. Anschließend setzten sie die Photokatalysatoren in Methanoxidationsreaktionen mit Wasserstoffperoxid als Initiator ein. Der Kupfer-PHI-Katalysator erzeugte eine große Menge an sauerstoffhaltigen flüssigen Produkten, 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 wichtige Bedingungen entdeckt, wie z. B. die Verwendung einer großen Menge Wasser und nur einer kleinen Menge Wasserstoffperoxid, das ein Oxidationsmittel ist“, sagte Teixeira. „Zu den nächsten Schritten gehört es, mehr über die aktiven Kupferstellen im Material und ihre Rolle bei der Reaktion zu erfahren. Wir planen auch, Sauerstoff direkt zur Erzeugung von Wasserstoffperoxid in der Reaktion selbst zu verwenden. Wenn dies gelingt, dürfte der Prozess noch sicherer und wirtschaftlicher werden.“ Ein Punkt, den die Gruppe weiter untersuchen wird, betrifft das 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. Jetzt wissen wir, dass es sich um Cluster handelt“, erklärte er.

In der Studie verwendeten die Wissenschaftler reines Methan, aber in Zukunft werden sie das Gas auch aus Erneuerbaren Energien wie Biomasse gewinnen. Nach Angaben der Vereinten Nationen hat Methan bisher etwa 30 % der globalen Erwärmung seit der vorindustriellen Zeit verursacht. Die vom Menschen verursachten Methanemissionen könnten in den kommenden zehn Jahren um bis zu 45 % gesenkt werden, wodurch ein Anstieg um fast 0,3 °C bis 2045 vermieden werden könnte.

Die Strategie der Umwandlung von Methan in Flüssigbrennstoff mit Hilfe eines Photokatalysators ist neu und nicht kommerziell verfügbar, aber ihr Potenzial in naher Zukunft ist erheblich. „Wir haben mit unserer Forschung vor über vier Jahren begonnen. Jetzt haben wir weitaus bessere Ergebnisse als die von Professor Hutchings und seiner Gruppe im Jahr 2017, was uns zu unserer eigenen Forschung motiviert hat“, sagte Teixeira und bezog sich dabei auf eine in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie 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 werden.

->Quellen: