Gold als Lösung für die große Herausforderung der Katalyse
Forscher demonstrieren die Eignung von Gold als Katalysator zur Herstellung von Methanol und Essigsäure aus dem Methan von Erdgas
Ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur direkten Umwandlung von Erdgas in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe unter Verwendung des Edelmetalls Gold als Schlüsselzutat wurde von Forschern der Universität Cardiff in Zusammenarbeit mit Forschern der Lehigh University (USA) und des Nationalen Zentrums für Magnetische Resonanz in Wuhan (China) vorgeschlagen.
Bei der Untersuchung des Katalysators mit Hilfe der Hochleistungselektronenmikroskopie zeigte sich, dass der aktive Katalysator keine Goldatome oder -cluster, sondern Goldnanopartikel enthielt - extrem kleine Teilchen mit einer Größe von 3 bis 15 Nanometern, die ganz andere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen können als ihre größeren Gegenstücke. (Symbolisches Bild).
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Erdgas ist zwar einer der umweltfreundlichsten fossilen Brennstoffe, doch bei seiner Verbrennung werden immer noch gefährliche Treibhausgase in die Atmosphäre freigesetzt.
Dies hat Forscher dazu veranlasst, neue Wege zu finden, um Methan, das 70-90 % des Erdgases ausmacht, auf einfache, kostengünstige und kohlenstoffarme Weise in nützlichere Produkte wie Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln.
In einer in Nature Catalysis veröffentlichten Studie hat das Team unter der Leitung von Forschern des Cardiff Catalysis Institute erstmals die direkte Umwandlung von Methan in Methanol und Essigsäure mit Hilfe eines Goldkatalysators nachgewiesen.
Bisher war dies nur auf indirektem Wege möglich, der mehrere Schritte umfasst, die sehr energieaufwendig und kostspielig sind.
Um die Bildung von Methanol und Essigsäure zu erreichen, hat das Team Methan mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators aus Gold und dem Zeolith ZSM-5 umgesetzt.
Bei der Untersuchung des Katalysators mit Hilfe der Hochleistungselektronenmikroskopie stellte sich heraus, dass der aktive Katalysator keine Goldatome oder -cluster enthielt, sondern Goldnanopartikel - extrem kleine Teilchen mit einer Größe von 3 bis 15 Nanometern, die deutlich andere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen können als ihre größeren Gegenstücke.
Die Herstellung von Methanol mit diesem Katalysator war zu erwarten, doch die Neuheit der neuen Methode lag in der Herstellung von Essigsäure.
Essigsäure ist eine weit verbreitete Industriechemikalie, die in großen Mengen zur Herstellung von Produkten wie Tinte für den Textildruck, Farbstoffen, Fotochemikalien, Pestiziden, Arzneimitteln, Gummi und Kunststoffen verwendet wird.
Methanol hingegen wird häufig als Vorprodukt für viele andere chemische Grundstoffe sowie als Biokraftstoff verwendet.
Trotz der bekannten Trägheit des Edelmetalls Gold haben Wissenschaftler des Cardiff Catalysis Institute in einer bahnbrechenden Forschungsarbeit nachgewiesen, dass es sich tatsächlich um einen äußerst effizienten und zuverlässigen Katalysator handelt, der in vielen wichtigen industriellen Prozessen wirksam eingesetzt werden kann.
Der Mitautor der Studie, Professor Graham Hutchings, Regius-Professor für Chemie am Cardiff Catalysis Institute, sagte: "Die Oxidation von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, zur selektiven Bildung sauerstoffhaltiger chemischer Zwischenprodukte unter Verwendung von molekularem Sauerstoff ist seit langem eine große Herausforderung in der Katalyse.
"Wir haben dies in dieser Studie zum ersten Mal erfolgreich demonstriert und damit einen wichtigen ersten Schritt zur Herstellung wichtiger Kraftstoffe und Chemikalien auf einfache und kostengünstige Weise getan."
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