Het zou een drievoudige overwinning zijn - voor het klimaat, grondstoffen, en de chemische industrie. Met hun werk, wetenschappers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society in Berlijn hopen de basis te leggen voor het winnen van nuttige chemische producten zoals plastics uit het methaan dat gewoonlijk wordt afgefakkeld tijdens de olieproductie. Ze onderzoeken hoe ze een katalysator kunnen ontwerpen die methaan efficiënter omzet in etheen dan nu mogelijk is. Ze hebben nu een baanbrekende aanwijzing gevonden.

Ongeveer 140 miljard kubieke meter methaan, die ontsnapt tijdens de wereldwijde olieproductie, worden elk jaar opgelaaid. Dit is aanzienlijk meer dan de geschatte 90 miljard kubieke meter aardgas die Duitsland in 2019 heeft verbruikt. Dit voedt niet alleen de klimaatverandering, maar verspilt ook een niet-hernieuwbare fossiele brandstof. Echter, het zou niet rendabel zijn om pijpleidingen of vloeibaarmakingsinstallaties te bouwen voor de relatief kleine hoeveelheden methaan die incidenteel worden gewonnen op afzonderlijke olieproductielocaties. Het zou, echter, het loont om het methaan te transporteren als het economisch kan worden omgezet in stoffen die interessant zijn voor de chemische industrie. Een van die stoffen is etheen, het uitgangsmateriaal voor polyethyleen en vele andere producten. Deze worden bijna uitsluitend uit ruwe olie geproduceerd. Helaas, de chemische reactie die methaan direct omzet in etheen verloopt bij hoge temperaturen. “Dit kost niet alleen veel energie, maar leidt er ook toe dat een groot deel van het methaan verbrandt om het ongewenste bijproduct CO . te vormen ₂ , " zegt Annette Trunschke, onderzoeksgroepleider bij het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society. "Dus het is nog niet helemaal logisch."

Natrium is de essentiële component

De drogist en haar team willen hier verandering in brengen. Daarom hebben ze hun zinnen gezet op het beslissende onderdeel van het proces:de katalysator van natrium, mangaan, wolfraam, en silicium. Dit vergemakkelijkt de chemische omzetting van methaan in etheen, zij het tot nu toe alleen bij 700°C. Om katalysatoren te ontwikkelen die werken bij lagere temperaturen (d.w.z. met minder energietoevoer) en alleen de vorming van de gewenste producten bevorderen, scheikundigen moeten eerst weten wat belangrijk is in een katalysator voor deze reactie. Volgens het onderzoek van Trunschke's groep, dit essentiële bestanddeel is natrium.

"Tot nu, er zijn verschillende theorieën geweest over welk element in de katalysator cruciaal is voor het omzetten van methaan in etheen, "zegt Trunschke. "Het kwam als een verrassing dat natrium, Van alle dingen, was de belangrijke component omdat het eigenlijk zou moeten verdampen bij de hoge temperaturen van de reactie. het onderzoek heeft iets anders aan het licht gebracht. Bij hoge temperaturen, het alkalimetaal wordt omgezet in het katalytisch actieve natriumoxide. Door de nauwe interactie met de andere componenten van de katalysator komt het oxide slechts korte tijd en in zeer kleine hoeveelheden vrij. en wordt dus voorkomen dat het verdampt. "Dit maakt duidelijk dat de andere componenten van de katalysator alleen nodig zijn om de actieve vorm van de katalysator vrij te maken en te stabiliseren, ', zegt Trunschke.

Live verbinding met de werkende katalysator

De onderzoekers kwamen tot deze conclusie omdat ze de eersten waren die de katalysator in actie zagen. Met behulp van Raman-spectroscopie in een speciaal ontwikkeld apparaat, ze analyseerden welke stoffen op de katalysator ontstaan ​​terwijl de uitgangsstoffen van de reactie eroverheen stromen. "Tot dusver, katalysatoren zijn alleen voor en na katalyse bestudeerd. Analyses met Raman-spectroscopie bij hoge temperaturen zijn tot nu toe alleen uitgevoerd op niet-werkende katalysatoren, " zegt Maximiliaan Werny, die de experimenten deed als onderdeel van zijn masterscriptie. "Met behulp van Raman-spectroscopie, we hebben voor het eerst gezien hoe de producten tot stand komen."

Zowel de mogelijkheid om een ​​live beeld te krijgen van de omzetting van methaan in etheen, en de kennis van de katalysator gemaakt van natrium, mangaan, wolfraam, en silicium zou scheikundigen kunnen helpen chemische mediatoren te ontwikkelen die bij lagere temperaturen werken en dus alleen de gewenste, nuttige producten en geen CO ₂ op een meer gerichte manier. Een benadering zou kunnen zijn om natrium te vervangen door andere alkalimetalen en te testen of de overeenkomstige katalysatoren bij lagere temperaturen etheen produceren. "Je zou waarschijnlijk andere componenten nodig hebben om het metaal op zijn plaats te houden, ", zegt Trunschke. Zij en haar team zouden dan het werkingsmechanisme van kandidaten voor alternatieve katalysatoren kunnen volgen. Chemici zouden dan in staat moeten zijn een katalysator te ontwikkelen die de verspilling van methaan bij de olieproductie helpt voorkomen en op zijn minst een kleine bijdrage aan klimaatbescherming.