Neuer Katalysator kann Methan in etwas Nützliches verwandeln
Chemieingenieure des MIT haben einen Weg gefunden, Methan abzuscheiden und in Polymere umzuwandeln
Obwohl es weniger häufig vorkommt als Kohlendioxid, trägt Methangas unverhältnismäßig stark zur globalen Erwärmung bei, da es aufgrund seiner Molekularstruktur mehr Wärme in der Atmosphäre speichert als Kohlendioxid.
Chemieingenieure des MIT haben nun einen neuen Katalysator entwickelt, mit dem Methan in nützliche Polymere umgewandelt werden kann, was zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen könnte.
"Die Frage, was mit Methan geschehen soll, stellt sich schon seit langem", sagt Michael Strano, der Carbon P. Dubbs Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und Hauptautor der Studie. "Es ist eine Kohlenstoffquelle, und wir wollen sie aus der Atmosphäre heraushalten, aber auch in etwas Nützliches verwandeln.
Der neue Katalysator funktioniert bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, was seinen Einsatz an Orten der Methanproduktion, wie z. B. in Kraftwerken und Viehställen, einfacher und wirtschaftlicher machen könnte.
Daniel Lundberg PhD '24 und MIT-Postdoc Jimin Kim sind die Hauptautoren der Studie, die in Nature Catalysis veröffentlicht wurde. Der ehemalige Postdoc Yu-Ming Tu und der Postdoc Cody Ritt sind ebenfalls Autoren der Studie.
Methan einfangen
Methan wird von Bakterien, den so genannten Methanogenen, produziert, die häufig in Deponien, Sümpfen und anderen Orten mit verrottender Biomasse in hoher Konzentration vorkommen. Die Landwirtschaft ist eine wichtige Methanquelle, und Methangas entsteht auch als Nebenprodukt bei der Beförderung, Lagerung und Verbrennung von Erdgas. Insgesamt wird angenommen, dass es für etwa 15 Prozent des globalen Temperaturanstiegs verantwortlich ist.
Auf molekularer Ebene besteht Methan aus einem einzigen Kohlenstoffatom, das an vier Wasserstoffatome gebunden ist. Theoretisch sollte dieses Molekül ein guter Baustein für die Herstellung nützlicher Produkte wie z. B. Polymere sein. Die Umwandlung von Methan in andere Verbindungen hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da für die Reaktion mit anderen Molekülen normalerweise hohe Temperaturen und hohe Drücke erforderlich sind.
Um die Umwandlung von Methan ohne diesen Energieaufwand zu erreichen, entwickelte das MIT-Team einen Hybridkatalysator mit zwei Komponenten: einem Zeolith und einem natürlich vorkommenden Enzym. Zeolithe sind häufig vorkommende, kostengünstige tonähnliche Mineralien, und frühere Arbeiten haben gezeigt, dass sie als Katalysator für die Umwandlung von Methan in Kohlendioxid eingesetzt werden können.
In dieser Studie verwendeten die Forscher ein Zeolith namens eisenmodifiziertes Aluminiumsilikat, das mit einem Enzym namens Alkoholoxidase gepaart wurde. Bakterien, Pilze und Pflanzen nutzen dieses Enzym, um Alkohole zu oxidieren.
Dieser Hybridkatalysator führt eine zweistufige Reaktion durch, bei der der Zeolith Methan in Methanol umwandelt und das Enzym anschließend Methanol in Formaldehyd umwandelt. Bei dieser Reaktion entsteht auch Wasserstoffperoxid, das in den Zeolith zurückgeführt wird, um eine Sauerstoffquelle für die Umwandlung von Methan in Methanol zu schaffen.
Diese Reihe von Reaktionen kann bei Raumtemperatur ablaufen und erfordert keinen hohen Druck. Die Katalysatorteilchen sind in Wasser suspendiert, das das Methan aus der Umgebungsluft aufnehmen kann. Für zukünftige Anwendungen stellen sich die Forscher vor, dass sie auf Oberflächen aufgetragen werden könnten.
"Andere Systeme arbeiten mit hohen Temperaturen und hohem Druck, und sie verwenden Wasserstoffperoxid, eine teure Chemikalie, um die Methanoxidation voranzutreiben. Aber unser Enzym produziert Wasserstoffperoxid aus Sauerstoff, daher denke ich, dass unser System sehr kostengünstig und skalierbar sein könnte", sagt Kim.
Aufbau von Polymeren
Sobald Formaldehyd hergestellt ist, konnten die Forscher zeigen, dass sie dieses Molekül zur Herstellung von Polymeren verwenden können, indem sie Harnstoff hinzufügen, ein stickstoffhaltiges Molekül, das im Urin vorkommt. Dieses harzähnliche Polymer, bekannt als Harnstoff-Formaldehyd, wird heute in Spanplatten, Textilien und anderen Produkten verwendet.
Die Forscher stellen sich vor, dass dieser Katalysator in Rohre für den Erdgastransport eingebaut werden könnte. In diesen Rohren könnte der Katalysator ein Polymer erzeugen, das als Dichtungsmittel zum Verschließen von Rissen in den Rohren dienen könnte, die eine häufige Ursache für das Austreten von Methan sind. Der Katalysator könnte auch als Film aufgetragen werden, um Oberflächen zu beschichten, die Methangas ausgesetzt sind, und dabei Polymere erzeugen, die für die Verwendung in der Produktion gesammelt werden könnten, so die Forscher.
Stranos Labor arbeitet derzeit an Katalysatoren, die zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und dessen Verbindung mit Nitrat zur Herstellung von Harnstoff eingesetzt werden könnten. Dieser Harnstoff könnte dann mit dem durch den Zeolith-Enzym-Katalysator erzeugten Formaldehyd gemischt werden, um Harnstoff-Formaldehyd zu erzeugen.
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