Onderzoekers van de Universiteit van Hokkaido hebben een verbeterde katalysator ontwikkeld voor de omzetting van methaangas in syngas, een voorloper voor vloeibare brandstoffen en fundamentele chemicaliën.

syngas, ook bekend als synthesegas, is een mengsel dat voornamelijk bestaat uit koolmonoxide en waterstof en wordt gebruikt om polymeren te vervaardigen, geneesmiddelen, en synthetische aardolie. Het wordt gemaakt door methaan bloot te stellen aan waterdamp van 900 °C of hoger, het proces kostbaar maken.

De gedeeltelijke oxidatie van methaan voor syngassynthese is zuiniger dan het gebruik van stoom, maar er zijn problemen geweest met de katalysatoren die voor dit proces worden gebruikt. Edelmetaalkatalysatoren, zoals rhodium en platina, zijn beter en werken bij lagere temperaturen dan basismetaalkatalysatoren, zoals kobalt en nikkel, maar ze zijn ook duurder. De goedkopere basismetaalkatalysatoren vereisen temperaturen boven 800 °C, overschrijding van het temperatuurbereik voor industriële roestvrijstalen reactoren. Ze worden ook gedeactiveerd tijdens de reactie door re-oxidatie en de ophoping van cokes, een bijproduct van het proces, waardoor ze op den duur kostbaar worden.

Universitair docent Hirokazu Kobayashi, Professor Atsushi Fukuoka, en postdoctoraal onderzoeker Yuhui Hou, werkzaam bij het Instituut voor Katalyse van Hokkaido University, slaagde erin een katalysator te maken die de eigenschappen van zowel edele als onedele metalen combineert. Hun katalysator overwint de uitdagingen waarmee eerdere studies werden geconfronteerd door een voldoende kleine hoeveelheid edelmetaal aan de basismetaalkatalysator toe te voegen, zodat deze nog steeds bij lagere temperaturen kan werken.

In de studie gepubliceerd in Communicatie Chemie, het team heeft met succes kleine deeltjes van het basismetaal kobalt gegenereerd door ze te verspreiden op een minerale afzetting die zeoliet wordt genoemd. Vervolgens voegden ze een kleine hoeveelheid edelmetaal-rhodiumatomen toe aan de kobaltdeeltjes.

De nieuwe, gecombineerde katalysator heeft met succes 86% methaan omgezet in syngas bij 650 ° C, terwijl de activiteit ervan gedurende ten minste 50 uur behouden bleef. De reactie oxideert kobalt tot kobaltoxide, die bijna inactief is. Maar omdat het rhodium erin zit, het edelmetaal genereert waterstofatomen uit methaan of waterstofmoleculen. De waterstofatomen lopen over op het ondersteunende materiaal, en de overloopwaterstof verandert het kobaltoxide weer in kobalt. Het kobalt kan dan als katalysator blijven werken. De hoge dispersie van kobalt op zeoliet verhinderde ook de vorming van cokes tijdens de reactie.

Methaan heeft de aandacht getrokken als een bron van schone energie, omdat het bij verbranding slechts een halve hoeveelheid CO2 produceert in vergelijking met aardolie. Bovendien, door de toegenomen winning van schaliegas is methaan een meer toegankelijke hulpbron geworden. "Onze katalysator kan methaan efficiënt omzetten in syngas bij 650 °C, een veel lagere temperatuur dan bij conventionele methoden. Dit kan leiden tot een efficiënter gebruik van methaan en bijdragen aan de ontwikkeling van een koolstofarme samenleving, ", zegt Hirokazu Kobayashi.