In een studie gepubliceerd in het tijdschrift "Nature Communications" heeft een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) aangetoond hoe een modelkatalysator kan worden ontwikkeld om de reactieve "hotspots" te bieden die nodig zijn om methaan effectief om te zetten. , het hoofdbestanddeel van aardgas, in nuttiger chemicaliën of vloeibare brandstoffen.

Methaan is overvloedig aanwezig en een goedkope energiebron, maar het is ook inert, wat betekent dat het moeilijk is de sterke chemische bindingen te verbreken om het in andere moleculen om te zetten. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, hebben wetenschappers het gebruik van katalysatoren onderzocht, materialen die chemische reacties versnellen zonder daarbij te worden verbruikt.

Het team van TUM, onder leiding van professor Johannes Lercher, gebruikte een combinatie van experimentele en computationele technieken om te bestuderen hoe methaan interageert met een modelkatalysator gemaakt van rhodiumnanodeeltjes ondersteund op een ceriumoxide-oppervlak. Ze ontdekten dat de sleutel tot het activeren van methaan op de katalysator het creëren van specifieke ‘hotspots’ was, waar de methaanmoleculen in nauw contact konden komen met de actieve plekken op het katalysatoroppervlak en konden reageren.

De onderzoekers bereikten dit door de grootte en verdeling van de rhodiumnanodeeltjes te controleren en door de oppervlakte-eigenschappen van de ceriumoxide-drager te wijzigen. Ze ontdekten dat door het creëren van een sterk verspreide opstelling van kleine rhodiumnanodeeltjes op het ceriumoxide-oppervlak en het modificeren van de elektronische structuur van de katalysator, ze de katalytische activiteit voor methaanomzetting aanzienlijk konden verbeteren.

De studie biedt belangrijke inzichten in het ontwerp en de optimalisatie van katalysatoren voor methaanactivering en -conversie, en zou implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van efficiëntere en milieuvriendelijkere processen voor het gebruik van aardgas.

Methaan is verantwoordelijk voor ongeveer 10% van het mondiale energieverbruik en wordt vooral gebruikt voor verwarming en energieopwekking. Methaan kan echter ook worden omgezet in een verscheidenheid aan waardevolle producten, zoals waterstof, methanol en ethyleen, die worden gebruikt bij de productie van brandstoffen, kunststoffen en andere chemicaliën.

De uitdaging bij het omzetten van methaan ligt in de hoge bindingssterkte, waardoor het moeilijk is de moleculen uit elkaar te halen. Dit vereist hoge temperaturen of het gebruik van katalysatoren, materialen die chemische reacties versnellen zonder daarbij te worden verbruikt.

Het team van TUM concentreerde zich op de ontwikkeling van een katalysator die methaan bij relatief lage temperaturen zou kunnen activeren, waardoor het proces energiezuiniger zou worden. Ze gebruikten een modelkatalysator bestaande uit rhodiumnanodeeltjes op een ceriumoxide-oppervlak.

Door de grootte en verdeling van de rhodiumnanodeeltjes zorgvuldig te controleren, evenals de elektronische eigenschappen van het katalysatoroppervlak, konden de onderzoekers specifieke ‘hotspots’ op de katalysator creëren waar methaanmoleculen effectief konden reageren.

De studie toont het belang aan van nauwkeurig katalysatorontwerp en -techniek bij het ontsluiten van het volledige potentieel van methaan als veelzijdige grondstof voor de productie van brandstoffen en chemicaliën.