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Direkte Umwandlung von Methan zu Methanol

Durch Gold-Palladium-Nanopartikel katalysiert

11.09.2017

Graham J. Hutchings and Christopher J. Kiely

Repräsentative HAADF-Bilder und Partikelgrößenverteilungen für das nicht unterstützte AuPd-PVP-Sol in der frischen (A bis C) und nach einer CH4-Oxidationsreaktion (D bis F).

Flüssiges Methanol wird als Ausgangsstoff für andere Chemikalien eingesetzt und hat auch als alternativer Kraftstoff ein beträchtliches Potenzial. Die Umwandlung von Methan - der Hauptbestandteil des reichlich vorhandenen Erdgases - in Methanol wird jedoch derzeit durch einen indirekten Prozess erreicht, der hohe Hitze und hohen Druck erfordert.

Jetzt haben die Forscher einen neuen Ansatz entdeckt, der die direkte Umwandlung von Methan in Methanol unter Verwendung von molekularem Sauerstoff unter wesentlich milderen Reaktionsbedingungen ermöglicht.

Ein Team unter der Leitung von Graham J. Hutchings vom Cardiff Catalysis Institute und Christopher J. Kiely von der Lehigh University hat kolloidale Gold-Palladium (Au-Pd)-Nanopartikel verwendet, um Methan mit hoher Selektivität in wässriger Lösung bei niedrigen Temperaturen direkt zu Methanol zu oxidieren.

"Unsere Arbeit hat gezeigt, dass eine stabile Versorgung mit Methylradikalen - zum Beispiel durch den Einbau einer sehr geringen Menge Wasserstoffperoxid in das Reaktionsgemisch - durchaus möglich ist, wenn die selektive Oxidation von Methan zu Methanol mit molekularem Sauerstoff durchführbar ist", sagt Kiely, die Harold B. Chambers Senior Professor für Werkstoffwissenschaften und Chemieingenieurwesen bei Lehigh.

Diese neueste Entdeckung wurde von Kielys und Hutchings' langjähriger Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Au-Pd Nanopartikeln als wirkungsvolle Katalysatoren für viele andere Reaktionen vorangetrieben.

Nach Kielys Worten waren die Forscher überrascht, dass sie für diese Reaktion die Au-Pd-Nanopartikel als freischwebende Kolloide in einer sehr schwachen Wasserstoffperoxidlösung benötigten, in die sie unter Druck gesetztes Methan und Sauerstoffgas injizierten.

"Normalerweise werden Au-Pd Nanopartikel, wenn wir sie als Katalysatoren verwenden, fast immer auf Oxidträgern mit hoher Oberfläche wie Titanoxid dispergiert", sagt Kiely. "In diesem Fall stellte sich jedoch heraus, dass das Vorhandensein der Keramikstütze sehr ungünstig war."

In der chemischen Industrie wird Methan heute indirekt über die Herstellung von Synthesegas (CO + H2) bei hohen Temperaturen und Drücken zu Methanol umgewandelt, was ein teurer und energieintensiver Prozess ist. Die vielversprechendsten Kandidatenprozesse, die bisher für die direkte Umwandlung von Methan in Methanol entdeckt wurden, sind meist komplex, ineffizient und erfordern oft sehr hohe Temperaturen und aggressive Reaktionsbedingungen.

"Mit dem neuen vereinfachten Ansatz, den wir demonstriert haben, kommen wir der direkten Umwandlung von Methan in Methanol einen Schritt näher", so Kiely.

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