Neue Katalysatoren verwandeln das Treibhausgas Methan in wertvolle Chemikalien

Neue Katalysatoren verwandeln das Treibhausgas Methan in wertvolle Chemikalien
Neue Katalysatoren verwandeln das Treibhausgas Methan in wertvolle Chemikalien
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In einer aktuellen Studie haben Forscher des Tokyo Institute of Technology einen neuen bifunktionellen Zeolithkatalysator entwickelt, der Methan und Lachgas effizient in wertvolle Chemikalien umwandelt und so eine nachhaltigere und energieeffizientere Methode als herkömmliche Verfahren bietet. Die einzigartige Fähigkeit des Katalysators, die räumliche Verteilung von Kupfer- und Säurestandorten zu optimieren, ermöglicht es ihm, Treibhausgasemissionen wirksam zu reduzieren und gleichzeitig nützliche Kohlenwasserstoffe zu produzieren, was möglicherweise als Leitfaden für zukünftige Dekarbonisierungsbemühungen in der chemischen Industrie dienen könnte.

Forscher haben einen neuen Katalysator entwickelt, der Methan auf nachhaltigere Weise in wertvolle Chemikalien umwandelt, was möglicherweise die Bemühungen zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie vorantreiben könnte.

Methan, ein starkes Treibhausgas, spielt sowohl als Energiequelle als auch als wichtiger chemischer Rohstoff eine entscheidende Rolle. Typischerweise wird Methan zunächst in Methanol umgewandelt, bevor es in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Dieser Prozess erfordert jedoch aufwändige industrielle Systeme. Da Methan ein sehr stabiles Molekül ist, ist seine Umwandlung in Methanol durch herkömmliche Methoden wie die Dampfreformierung von Methan sehr energieintensiv.

In diesem Zusammenhang hat die katalytische Umwandlung von Methan in Methanol oder andere Chemikalien große Aufmerksamkeit bei Wissenschaftlern auf sich gezogen, die nach energieeffizienteren und nachhaltigeren Lösungen suchen. Unter den kürzlich beschriebenen Katalysatoren haben sich kupferhaltige Zeolithe als vielversprechend für die Umwandlung von Methan in Methanol unter milden Bedingungen erwiesen. Leider sind Ausbeute und Selektivität der meisten bekannten Katalysatoren gering, was bedeutet, dass neben Methanol große Mengen unerwünschter Nebenprodukte entstehen.

Diese Studie schlägt neue Wege vor, Methan und Lachgas in Mehrwertstoffe umzuwandeln und so zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie beizutragen. Bildnachweis: Tokyo Tech

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Natürliche Kommunikationuntersuchte ein Forschungsteam, zu dem auch der außerordentliche Professor Toshiyuki Yokoi vom Tokyo Institute of Technology, Japan, gehörte, einen neuen Typ eines bifunktionellen Zeolithkatalysators. Interessanterweise ist dieser Cu-haltige Alumosilicat-Zeolith in der Lage, Methan umzuwandeln Lachgasein weiteres Treibhausgas, durch eine Reihe von Zwischenreaktionen direkt in wertvolle Verbindungen umgewandelt.

Optimierung der Katalysatorstruktur für verbesserte Ausbeute

Eine der Schlüsselfragen der Forscher war, wie sich die räumliche Verteilung verschiedener aktiver Zentren im Katalysator auf das Ergebnis der Reaktionen auswirkte. Zu diesem Zweck stellten sie mehrere Katalysatoren her, die nicht nur unterschiedliche Konzentrationen an Cu und verwendeten Säure Stellen (Protonen) in wässrigen Lösungen, aber auch verschiedene physikalische Mischtechniken für feste Proben.

Durch verschiedene experimentelle und analytische Techniken entdeckten die Forscher, dass die Nähe zwischen Cu und Säurezentren entscheidend für die Bestimmung der Endprodukte war. Konkret berichteten sie, dass, wenn die Cu-Zentren nahe beieinander lagen, das an den Cu-Zentren aus Methan erzeugte Methanol eine höhere Wahrscheinlichkeit hatte, von einer benachbarten Cu-Zentren überoxidiert zu werden und es in Kohlendioxid umzuwandeln. Wenn dagegen die Cu- und Säurezentren nahe beieinander lagen, reagierte Methanol mit Lachgas an einem benachbarten Säurezentrum und erzeugte wertvolle Kohlenwasserstoffe und harmloses Stickstoffgas.

„Wir kamen zu dem Schluss, dass es für eine stabile und effiziente Produktion von Methanol und letztendlich nützlichen Kohlenwasserstoffen aus Methan notwendig ist, Cu-Stellen und Säurestellen gleichmäßig zu verteilen und sie in einem angemessenen Abstand voneinander zu platzieren“, erklärt Yokoi. „Wir haben außerdem herausgefunden, dass die Verteilung der resultierenden Produkte auch von den sauren Eigenschaften und der Porenstruktur des Zeolithkatalysators beeinflusst wird. »

Einer der bemerkenswertesten Vorteile des vorgeschlagenen Katalysators ist seine Fähigkeit, Tandemreaktionen aufrechtzuerhalten, also einen einfachen Prozess, der mehrere Schritte zu einem zusammenfasst und zwei verschiedene schädliche Treibhausgase gleichzeitig entfernt. Diese Eigenschaft wird von entscheidender Bedeutung sein, um solche katalytischen Systeme im industriellen Kontext attraktiv zu machen. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit zukünftige Bemühungen zur Oxidation von Methan zu Methanol leiten und Wege eröffnen wird, um die Synthese von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von Methanol als Zwischenprodukt zu fördern“, schließt Yokoi.

Wir hoffen, dass diese Studie als Sprungbrett zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie dienen und so zur Verwirklichung einer CO2-neutralen Gesellschaft beitragen wird.

Die Studie wurde von der Japan Society for the Promotion of Science finanziert.

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