Der Kohlenwasserstoff Methan kommt auf der Erde in großen Mengen vor, doch ist mittlerweile bekannt, dass seine Freisetzung zu Temperaturanstiegen und zum Klimawandel beiträgt. In den letzten Jahren haben Forscher versucht, zuverlässige Methoden zur direkten Umwandlung von Methan in andere Kraftstoffe und Chemikalien mit wertvollen praktischen Anwendungen zu entwickeln.
Zu diesen Strategien gehören katalysatorbasierte Methoden, um die oxidative Kopplung von Methan an Substanzen zu fördern, die das grüne Gas zweiatomigen Kohlenstoff (C2) enthalten. Aufgrund der ungünstigen Eigenschaften der bisher eingeführten Thermokatalysatoren erfordert diese Reaktion jedoch typischerweise extreme und herausfordernde Umgebungsbedingungen.
Forscher am University College London der University of Liverpool haben kürzlich einen neuen Photokatalysator entwickelt, der die oxidative Kopplung von Methan vorantreiben könnte. Dieser Photokatalysator, eingeführt in Naturenergiebasiert auf Titandioxid (TiO2), das mit Gold (Au)-Nanoclustern beladen ist.
„Die photokatalytische oxidative Kopplung von Methan (OCM) erzeugt C2-Moleküle, die als Bausteine für die Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien verwendet werden können“, schreiben Xiyi Li, Chao Li und ihre Kollegen in der Arbeit. „Allerdings sind die Ausbeute und die Selektivität der C2-Produkte aufgrund der stabilen Natur der Methanmoleküle immer noch moderat.“
Mithilfe einer Schnellsputtermethode konnten die Forscher Au-Nanocluster homogen auf TiO2 laden und so ihren vielversprechenden neuen Photokatalysator herstellen. In ersten Tests schien eine optimierte Probe ihres Photokatalysators eine bemerkenswert gute Leistung zu erbringen und Methan mit hoher Geschwindigkeit und ohne besonders harte Reaktionsbedingungen in C2 umzuwandeln.
„Wir entwickeln einen mit Au-Nanoclustern beladenen TiO2-Photokatalysator durch einen Sputter-Ansatz und erreichen eine hohe Methanumwandlungsrate von 1,1 mmol h−1, eine C2-Selektivität von ~90 % und eine scheinbare Quanteneffizienz von 10,3 ± 0,6 %,“ Xiyi Li, Chao Li und ihre Kollegen erklärten in der Studie.
„Die hohe C2/C2+-Ausbeute liegt in der gleichen Größenordnung wie die Benchmark-Thermokatalysatoren in OCM-Prozessen, die bei hohen Temperaturen (>680 °C) betrieben werden. Au-Nanopartikel verlängern nachweislich die Lebensdauer der TiO2-Photoelektronen für O2 um den Faktor 66.“ Reduktion, zusammen mit Au, das als Lochakzeptor und katalytisches Zentrum fungiert, um die Methanadsorption, CH-Aktivierung und CC-Kopplung zu fördern“, fuhren sie fort.
Insgesamt zeigt diese Studie die Vorteile des Einsatzes von Katalysatoren auf Basis verschiedener Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften zur Ermöglichung der oxidativen Kopplung von Methan. Es wurde festgestellt, dass ihr vorgeschlagener Photokatalysator Au60s/TiO2 viele zuvor beschriebene Katalysatoren, die diese Reaktion auslösen können, hinsichtlich Stabilität, Methanumwandlungsrate und C2-Ausbeute übertrifft.
Bemerkenswert ist, dass der Photokatalysator des Teams auch einfach herzustellen ist, was seine Produktion und seinen Einsatz in großem Maßstab erleichtern könnte. Weitere Studien könnten bald dazu beitragen, die Leistung des neuen Au60s/TiO2-Photokatalysators zu validieren und seine Anwendbarkeit in realen Umgebungen zu bewerten.
Zukünftig könnte diese Studie auch den Weg für die Herstellung anderer vielversprechender Multimaterial-Photokatalysatoren für die zuverlässige und direkte Umwandlung von Methan ebnen. Zusammengenommen könnten diese Bemühungen zur wertvollen Nutzung der reichlich vorhandenen Methanreserven auf der Erde beitragen.
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Xiyi Li et al., Effiziente Lochabstraktion für die hochselektive oxidative Kopplung von Methan durch Au-gesputterte TiO2-Photokatalysatoren, Naturenergie (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01317-5
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