Einblicke in Reaktionen helfen bei der Herstellung nachhaltiger flüssiger Kraftstoffe

Methanol, das aus Kohlendioxid in der Luft hergestellt wird, kann zur Herstellung von CO2-neutralen Kraftstoffen verwendet werden. Doch dazu muss der Mechanismus, durch den Methanol in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird, besser verstanden werden, damit der katalytische Prozess optimiert werden kann. Nun haben Forschende der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts mit ausgefeilten Analysetechniken beispiellose Einblicke in diesen komplexen Mechanismus gewonnen.

Während wir darum kämpfen, die Auswirkungen von Emissionen mit unserem Wunsch zu jonglieren, unseren energiehungrigen Lebensstil aufrechtzuerhalten, ist die Verwendung von Kohlendioxid in der Atmosphäre zur Herstellung neuer Kraftstoffe eine aufregende, klimaneutrale Alternative. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, mithilfe eines Prozesses namens Hydrierung Methanol aus Kohlendioxid in der Luft zu erzeugen. Dieses Methanol kann dann in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden. Obwohl diese dann verbrannt werden und Kohlendioxid freisetzen, wird dies durch Kohlendioxid ausgeglichen, das zur Herstellung des Kraftstoffs eingefangen wird.

Um diesen nachhaltigen Kraftstoff vollständig zu entwickeln, ist ein tieferes Verständnis des Mechanismus erforderlich, durch den Methanol – in einer durch Zeolithe, feste Materialien mit einzigartiger poröser Architektur, katalysierten Reaktion – in langkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Vor diesem Hintergrund haben sich Forschende der ETH Zürich im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunktes NCCR Catalysis mit Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI zusammengetan, um die Details dieses Reaktionsmechanismus aufzudecken, deren Ergebnisse veröffentlicht werden im Tagebuch Naturkatalyse.

„Informationen sind der Schlüssel zur Entwicklung selektiverer und stabilerer Katalysatoren“, erklärt Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalysetechnik an der ETH Zürich und Direktor des NCCR Catalysis, der die Studie mitleitete. „Vor unserer Studie waren trotz vieler Bemühungen wichtige mechanistische Aspekte der komplexen Umwandlung von Methanol in Kohlenwasserstoffe nicht gut verstanden.“

Die Forscher waren daran interessiert, das Verfahren von Methanol zu Kohlenwasserstoff mit einem anderen Verfahren zu vergleichen: dem der Umwandlung von Methylchlorid in Kohlenwasserstoffe. Ölraffinerien verbrennen häufig große Mengen an unerwünschtem methanreichem Erdgas. Diese umweltschädliche und verschwenderische Aktivität führt zu den typischen Fackeln, die mit Ölraffinerien verbunden sind. „Die Umwandlung von Methylchlorid in Kohlenwasserstoffe ist eine Art Brückentechnologie“, erklärt Pérez-Ramírez. „Natürlich würden wir gerne weg von fossilen Brennstoffen, aber in der Zwischenzeit wäre dies eine Möglichkeit, die riesigen Reserven an wertvollem Methan zu vermeiden.“

Flüchtige Gasphasenmoleküle erzählen die Geschichte

Der Schlüssel zum Verständnis komplexer Reaktionsmechanismen wie diesen ist der Nachweis der verschiedenen beteiligten Spezies, einschließlich der Zwischenprodukte. Herkömmliche Techniken schauen direkt auf die Oberfläche des Katalysators, um die Reaktion zu verstehen, aber ein wichtiger Teil der Geschichte wird von Gasphasenmolekülen erzählt, die sich vom Katalysator lösen.

„Diese Moleküle sind oft sehr reaktiv und sehr kurzlebig und zerfallen innerhalb weniger Millisekunden. Das macht ihre Identifizierung zu einer echten Herausforderung, da herkömmliche Methoden der Gasphasenanalyse einfach zu langsam sind“, erklärt Patrick Hemberger, Wissenschaftler am Vakuum-Ultraviolett (VUV). ) Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, deren ausgefeilte Analysetechniken es den Forschern ermöglichen würden, die Reaktion während ihres Verlaufs zu untersuchen.

An der VUV-Beamline wurde kürzlich die Photoion Photoelectron Coincidence (PEPICO)-Spektroskopie als leistungsfähiges Analysewerkzeug für katalytische Reaktionen etabliert. Es kombiniert zwei verschiedene Analysetechniken, Photoelektronenspektroskopie und Massenspektrometrie, um detaillierte Informationen über die Zwischenprodukte der Gasphasenreaktion zu liefern und sogar die Unterscheidung zwischen Isomeren zu ermöglichen.

„Da wir gleichzeitig zwei verschiedene Arten von Informationen sammeln, können wir diese flüchtigen Arten selbst in einem Gemisch aus bis zu hundert Reaktionszwischenprodukten und -produkten schnell identifizieren. Das gibt uns einen nie dagewesenen Einblick, der mit herkömmlichen Methoden einfach nicht möglich ist“, sagt Hemberger sagt.

Reaktionswege aufgedeckt

Die Spektroskopie ermöglichte es den Forschern, durch den Nachweis zahlreicher Zwischenprodukte aufzudecken, wie sich die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden und die Kohlenwasserstoffkette wächst. Für die beiden Prozesse – Methanol zu Kohlenwasserstoff und Methylchlorid zu Kohlenwasserstoff – beobachteten die Forscher, dass unterschiedliche Reaktionszwischenprodukte auftraten. Daraus konnten sie zwei unterschiedliche Reaktionswege identifizieren, einen angetrieben von Methylradikalen, die in beiden Reaktionen vorhanden sind, und einen anderen angetrieben von sauerstoffhaltigen Spezies, sogenannten Ketenen, die nur bei der Reaktion von Methanol zu Kohlenwasserstoff vorkamen.

Die Forscher konnten auch ein interessantes Merkmal der Reaktionen nachvollziehen: Nach einigen Tagen wurde der Katalysator deaktiviert und die Reaktion gestoppt. Dies lag an der Bildung eines unerwünschten Nebenprodukts – Koks, das aus großen aromatischen Kohlenwasserstoffen hergestellt wird, die während der Reaktion abgelagert werden.

Mit Hilfe einer anderen spektroskopischen Technik, der paramagnetischen Elektronenresonanzspektroskopie, sahen die Forscher, dass das Methylchlorid zur Kohlenwasserstoffproduktion viel anfälliger für die Koksbildung war als die Produktion aus Methanol. Ausgestattet mit dem Wissen über die Reaktionswege war der Grund für diesen Unterschied klar: „Der Weg von Methanol zu Kohlenwasserstoff verläuft entlang zweier Reaktionswege, während der Weg von Methylchlorid zu Kohlenwasserstoff nur den reaktiveren Methylradikalweg nehmen kann, der anfälliger dafür ist Dabei entsteht Koks“, erklärt Gunnar Jeschke, dessen Team an der ETH Zürich die elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie-Untersuchungen durchgeführt hat.

Verstehen des Mechanismus zur Optimierung des Prozesses

Die durch diese Studie gewonnenen Erkenntnisse sind für die zukünftige Entwicklung von flüssigen Kraftstoffen auf nachhaltige Weise unerlässlich. Dies könnte die Suche nach Wegen umfassen, um den sauerstoffgetriebenen Weg zu verbessern und so die Bildung von Koks zu unterdrücken.

„Wir haben jetzt ein tieferes Verständnis des Reaktionsmechanismus von Methanol zu Kohlenwasserstoffen oder Methylchlorid zu Kohlenwasserstoffen und können mit diesem Wissen den industriellen Prozess gezielt optimieren, um ihn effizienter zu machen“, ergänzt Hemberger.