At forstå, hvordan en katalysator omdanner metan til ethen, kan forhindre flaring af naturgas

Det ville være en tredobbelt sejr - for klimaet, råmaterialeressourcer, og den kemiske industri. Med deres arbejde, videnskabsfolk ved Fritz Haber Institute for Max Planck Society i Berlin håber at skabe grundlaget for at udvinde nyttige kemiske produkter såsom plast fra metanen, der normalt blusser af under olieproduktion. De undersøger, hvordan man kan designe en katalysator, der omdanner metan til ethen mere effektivt, end det er muligt i øjeblikket. De har nu fundet et banebrydende spor.

Omkring 140 milliarder kubikmeter metan, som undslipper under den globale olieproduktion, flares hvert år. Dette er betydeligt mere end de anslåede 90 milliarder kubikmeter naturgas, som Tyskland forbrugte i 2019. Dette nærer ikke kun klimaændringer, men spilder også et ikke-vedvarende fossilt brændstof. Imidlertid, det ville ikke være rentabelt at bygge rørledninger eller flydende anlæg til de relativt små mængder metan, der i øvrigt blev ekstraheret på de enkelte olieproduktionssteder. Det ville, imidlertid, være værd at transportere metanen, hvis den økonomisk kunne omdannes til stoffer, der er af interesse for den kemiske industri. Et sådant stof er ethene, udgangsmaterialet til polyethylen og mange andre produkter. Disse produceres næsten udelukkende fra råolie. Desværre, den kemiske reaktion, der omdanner metan direkte til ethene, fortsætter ved høje temperaturer. "Det koster ikke kun meget energi, men resulterer også i, at en stor andel af metanen brænder for at danne det uønskede biprodukt CO ₂ , "siger Annette Trunschke, forskergruppeleder ved Fritz Haber Institute of Max Planck Society. "Så det giver ikke helt mening endnu."

Natrium er den væsentlige komponent

Kemikeren og hendes team ønsker at ændre dette. Derfor har de fokuseret på den afgørende komponent i processen:katalysatoren fremstillet af natrium, mangan, wolfram, og silicium. Dette letter den kemiske omdannelse af metan til eten - dog indtil videre kun ved 700 ° C. For at udvikle katalysatorer, der arbejder ved lavere temperaturer (dvs. med mindre energitilførsel) og kun fremmer dannelsen af ​​de ønskede produkter, kemikere skal først vide, hvad der er vigtigt i en katalysator for denne reaktion. Ifølge undersøgelsen fra Trunschkes gruppe, denne væsentlige komponent er natrium.

"Indtil nu, der har været flere teorier om hvilket element i katalysatoren, der er afgørende for omdannelse af metan til eten, "siger Trunschke." Det kom lidt af en overraskelse, at natrium, af alle ting, var den vigtige komponent, fordi den faktisk skulle fordampe ved reaktionens høje temperaturer. " forskningen har afsløret noget andet. Ved høje temperaturer, alkalimetallet omdannes til det katalytisk aktive natriumoxid. Oxidet frigives kun i kort tid og i små mængder på grund af tæt interaktion med de andre komponenter i katalysatoren, og forhindres således i at fordampe. "Dette gør det klart, at de andre komponenter i katalysatoren kun er nødvendige for at frigive og stabilisere den aktive form af katalysatoren, ”siger Trunschke.

Live forbindelse til arbejdskatalysatoren

Forskerne kom til denne konklusion, fordi de var de første til at se katalysatoren i aktion. Ved hjælp af Raman -spektroskopi i et specielt udviklet apparat, de analyserede, hvilke stoffer der produceres på katalysatoren, mens reaktionens udgangsmaterialer flød over den. "Indtil nu, katalysatorer er kun blevet undersøgt før og efter katalyse. Analyser ved hjælp af Raman-spektroskopi ved høje temperaturer er hidtil kun blevet udført på ikke-fungerende katalysatorer, "siger Maximilian Werny, der lavede eksperimenterne som en del af sin kandidatafhandling. "Ved hjælp af Raman -spektroskopi, Vi har for første gang observeret, hvordan produkterne er skabt. "

Både muligheden for at få et levende billede af omdannelsen af ​​metan til eten, og kendskabet til katalysatoren fremstillet af natrium, mangan, wolfram, og silicium kunne hjælpe kemikere med at udvikle kemiske mediatorer, der arbejder ved lavere temperaturer og dermed kun producerer den ønskede, nyttige produkter og ingen CO ₂ på en mere målrettet måde. En fremgangsmåde kan være at udskifte natrium med andre alkalimetaller og teste, om de tilsvarende katalysatorer producerer eten ved lavere temperaturer. "Du ville sandsynligvis have brug for andre komponenter for at holde metallet på plads, "siger Trunschke. Hun og hendes team ville derefter kunne følge kandidaternes virkemåde for alternative katalysatorer. Kemikere skulle derefter kunne udvikle en katalysator, der vil hjælpe med at forhindre spild af metan i olieproduktionen og lave mindst en lille bidrag til klimabeskyttelse.