Onderzoekers hopen de grondstof methanol aan de rand van een akker of op de boerderij te kunnen produceren met behulp van duurzame energie. Naast wind of zon ook water en CO₂ nodig zijn om de grondstoffen voor het groene methanolproces te produceren:koolmonoxide (CO) en waterstof (H₂ ), die katalytisch reageren om methanol te vormen.

Dit wordt mogelijk gemaakt door een nieuwe katalysator, ontwikkeld in Rostock. Een hierop gebaseerd proces maakt het gebruik van fossiele grondstoffen volledig overbodig. En het is zeer selectief en produceert vrijwel geen bijproducten.

De katalysator is gebaseerd op mangaan, zoals Gordon Neitzel van het Leibniz Instituut voor Katalyse (LIKAT) uitlegt:"Het metaalatoom vormt het katalytische centrum. Het wordt gefixeerd en beschermd door een soort steiger, het zogenaamde ligand." P>

Als onderdeel van zijn doctoraat optimaliseerde Gordon Neitzel de moleculaire structuur van dit ligand en legde hij als het ware de laatste hand aan het katalysatorcomplex. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ChemCatChem .

Klimaatneutraal Beheer met E4MeWi

Het werk maakt deel uit van het onderzoeksnetwerk E4MeWi. De afkorting staat voor "Energie-Effiziente Erneuerbare Energien basierte Methanol-Wirtschaft" (Energie-efficiënte, op hernieuwbare energie gebaseerde methanoleconomie). De projectpartners zijn CreativeQuantum GmbH in Berlijn, Ineratec GmbH in Karlsruhe, Ruhr Universiteit Bochum en het Bitterfeld-Wolfen Chemical Park.

“Een klimaatneutrale economie, zoals de Bondsrepubliek Duitsland tegen 2045 nastreeft, heeft ook basischemicaliën nodig”, aldus Gordon Neitzel.

Methanol is bijvoorbeeld nodig voor kunststoffen en harsen, die overal worden gebruikt, van de meubelindustrie tot de auto-industrie. De methanolproductie, momenteel wereldwijd 110 miljoen ton per jaar, gebeurt traditioneel op aardgas – bij hoge drukken van ongeveer 50 tot 100 bar en temperaturen tussen 200 en 300°C, afhankelijk van het proces. Met elke ton methanol stoten de enorme centrales anderhalve ton kooldioxide uit. Dit heeft geen toekomst.

Verminderde druk- en temperatuurvereisten

Het E4MeWi-project heeft tot doel een alternatief te bieden voor het conventionele proces. Het kernelement is de katalysator, die H₂ mogelijk maakt en CO om in opgeloste toestand te reageren om methanol te produceren. Het koolmonoxide wordt eerst uit CO₂ gehaald .

De hiervoor gebruikte mangaankatalysator is oorspronkelijk bij LIKAT ontwikkeld in de onderzoeksgroep onder leiding van dr. Kathrin Junge en prof. dr. Matthias Beller. Het maakt een compleet nieuw proces mogelijk dat de druk en temperatuur die nodig zijn voor de productie van methanol halveert.

Bovendien zijn voor het proces geen fossiele grondstoffen nodig, waardoor de katalysator een sleutelelement is van een toekomstige CO₂ - en een klimaatneutrale circulaire economie. Vooral omdat methanol, op een groene manier geproduceerd, ook prima geschikt is als chemisch opslagmedium voor waterstof, een van de hoopvolle verwachtingen van de energietransitie.

Methanolinstallaties in containerformaat

De deelnemers aan het E4MeWi-project stellen zich een fabriek ter grootte van een container voor die lokale hulpbronnen gebruikt voor duurzame waardecreatie, vrijwel aan de rand van het veld, op de boerderij of op het boerenerf:wind- en zonne-energie, CO₂ emissies uit puntbronnen en uit biogas, plastic afval of houtafval. CO₂ en water worden in eerste instantie gecombineerd om synthesegas te produceren, een mengsel van waterstof en koolmonoxide, dat met behulp van de nieuwe katalysator wordt omgezet in methanol.

Gordon Neitzel heeft de bekende mangaankatalysator aanzienlijk geoptimaliseerd door nieuwe structuren te ontwikkelen voor de ligand die het katalytisch actieve centrum beschermend omringt. "Zonder deze schil zou koolmonoxide het mangaanatoom in het midden van de katalysator aanvallen en de complexe verbinding vernietigen." Dit werk heeft nu de reactiesnelheid bij de productie van methanol verdubbeld.

Dit brengt de projectpartners een stuk dichter bij een economisch levensvatbare centrale. Dit hoort immers ook bij het doel van een dergelijke gedecentraliseerde productie:een compleet nieuwe markt voor de methanolhandel tot stand brengen en zo economische transformatieprocessen bevorderen.

Meer informatie: Gordon Neitzel et al, een verbeterde mangaantangkatalysator voor de hydrogenering van koolmonoxide bij lage temperatuur tot methanol, ChemCatChem (2023). DOI:10.1002/cctc.202301053

Aangeboden door Leibniz Instituut voor Katalyse