08.08.2022 - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

Brasilianische Wissenschaftler entdecken eine Methode zur Umwandlung von Methangas in flüssiges Methanol

Die Umwandlung fand bei Umgebungstemperatur und -druck statt, was die Verwendung von Methan, einem starken Treibhausgas, zur Herstellung von Kraftstoff ermöglichen könnte

Einer Forschergruppe ist es gelungen, mit Hilfe von Licht und dispergierten 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.

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

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 Kohlendioxid (CO2) freigesetzt als bei anderen flüssigen Brennstoffen derselben Kategorie.

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 25-mal mehr zur globalen Erwärmung beitragen kann als beispielsweise CO2.

"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 Agência FAPESP. 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 weiterer 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.

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Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Photokatalyse
  • Methanoxidation
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