Methaan is aanwezig in het aardgas dat overvloedig aanwezig is in de aardkorst, en heeft veel toepassingen gevonden in moderne toepassingen, voornamelijk als brandende brandstof. Alternatief, methaan kan worden omgezet in een bruikbaar mengsel van waterstof en koolmonoxide, genaamd "synthesegas, " door reactie met kooldioxide in wat wordt aangeduid als droge reforming van methaan (DRM). Deze DRM-reactie wordt beschreven als "bergopwaarts" omdat het het verbruik van externe energie vereist; thermische reactoren moeten op een hoge temperatuur van meer dan 800 graden Celsius voor een efficiënte conversie. Om zulke hoge temperaturen te bereiken, moeten andere brandstoffen worden verbrand, resulterend in een enorme uitstoot van broeikasgassen, die de belangrijkste oorzaak zijn van klimaatverandering. In aanvulling, het gebruik van hoge temperaturen veroorzaakt ook de deactivering van veelgebruikte katalysatoren door aggregatie en koolstofprecipitatie (zogenaamde cokesvorming).

In plaats van dergelijke nadelen van thermische katalysesystemen voor DRM-reactie aan te pakken, onderzoekers hebben geprobeerd de omzetting van methaan bij aanzienlijk lagere temperaturen te stimuleren met behulp van fotokatalysatoren die door licht worden geactiveerd. Hoewel verschillende fotokatalysatorachtige materialen zijn voorgesteld, het is een uitdaging gebleken om aanvaardbare conversieprestaties te verkrijgen bij lage temperaturen.

Gelukkig, een team van onderzoekers, waaronder prof. Mashiro Miyauchi, identificeerde een veelbelovende combinatie van materialen die kunnen fungeren als een effectieve fotokatalysator voor de omzetting van methaan in synthesegas. Specifieker, de onderzoekers ontdekten dat strontiumtitanaat in combinatie met rhodium-nanodeeltjes methaan en koolstofdioxide omzet in synthesegas onder lichte bestraling bij veel lagere temperaturen dan die vereist in thermische reactoren.

De onderzoekers stelden vast dat de voorgestelde fotokatalysator niet alleen veel stabieler was dan eerder geteste katalysatoren, maar dat het ook andere problemen vermeed, zoals de aggregatie (klontering) en cokesvorming ("roetvorming") van de katalysatordeeltjes. Het belangrijkste is, zoals verklaard door Prof. Miyauchi, "De voorgestelde fotokatalysator stelde ons in staat om de beperkingen van thermische katalysatoren enorm te overtreffen, wat hoge prestaties oplevert voor de productie van synthetisch gas."

De onderzoekers lichtten ook de fysieke mechanismen toe waarmee de voorgestelde fotokatalysator leidt tot een verhoogde omzetting van methaan. Dit inzicht is vooral belangrijk vanwege de implicaties die het heeft voor andere soorten methaanreacties. Het huidige systeem vereist bestraling met ultraviolet (UV) licht, dat is slechts een klein deel van zonnelicht. Echter, "De huidige studie biedt een strategische manier om bergopwaartse reacties uit te voeren met behulp van methaan en creëert een verbinding tussen de fossiele brandstofindustrie en toepassingen voor hernieuwbare energie. Nu ontwikkelen we het zichtbaar-lichtgevoelige systeem." concludeert prof. Miyauchi. Deze bevindingen zullen hopelijk leiden tot meer milieuvriendelijke ontwikkelingen en helpen de CO2-uitstoot in de toekomst te verminderen.

De studie is gepubliceerd in Natuur Katalyse .