Das Team untersucht die Photokatalyse für die Umwandlung von Methan in hochwertige Produkte

Ein Forschungsteam hat einen Übersichtsartikel veröffentlicht, der die jüngsten Fortschritte bei der Methanumwandlung mittels Photokatalyse zusammenfasst. Die Photokatalyse, der Prozess der Nutzung von Licht zur Beschleunigung einer chemischen Reaktion, bietet eine vielversprechende und umweltfreundliche Technologie für die Umwandlung von Methan in hochwertige Kraftstoffe und Chemikalien. In ihrer Arbeit beschreibt das Team die Fortschritte beim Einsatz von Photokatalysatoren für die Methanumwandlung und skizziert die verbleibenden Herausforderungen.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Übersichtsartikel in Kohlenstoffzukunft.

Der derzeitige kommerzielle Weg zur Umwandlung von Methan in großem Maßstab beinhaltet die indirekte Umwandlung über Synthesegas. Da Methan stabil und inert ist, ist die Aktivierung und Umwandlung des Moleküls äußerst anspruchsvoll. Der derzeitige kommerzielle Prozess ist mit einem hohen Energieverbrauch und der Freisetzung von Kohlendioxid verbunden.

„Der Übergang zur Methanumwandlung durch Netto-Null-Kohlendioxidemissionen ist eine entscheidende Aufgabe sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für die Industrie, da dadurch hochwertige Chemikalien ohne potenziell katastrophale Folgen entstehen werden“, sagte Junwang Tang, Professor am University College London. Die Umgehung des Synthesegaswegs und die Nutzung der Photokatalyse zur Umwandlung von Methan in wertvolle Kohlenwasserstoffe und Oxygenate bietet eine umweltfreundliche Alternative, da die Photokatalyse bei der Aktivierung und Umwandlung von inertem Methan in Kohlenwasserstoffe und Oxygenate unter milden Bedingungen überlegen ist.

Methan ist ein relativ sauberer und kostengünstiger Brennstoff. Es kommt weltweit reichlich in Schiefergas und Methanhydrat vor. Methan kann auch auf natürliche Weise aus Biosystemen erzeugt und künstlich aus Biomasse hergestellt werden. Diese Fülle macht es für den Einsatz in der Stromerzeugung und Wohnraumheizung attraktiv. Unter den konventionellen Kraftstoffen hat Methan einen hohen Heizwert und lässt sich leicht über Rohre transportieren. Allerdings hat Methan als Treibhausgas eine größere Treibhauswirkung als Kohlendioxid.

Über einen Zeitraum von 100 Jahren erwärmt Methan die Erde mindestens 25-mal so stark wie die entsprechende Masse an Kohlendioxid. In der Industrie wird Methan häufig als Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien, Düngemitteln und Wasserstoff verwendet. Im Jahr 2021 verbrauchte die Industrie in den USA etwa 33 Prozent des gesamten Erdgases. Erdgas ist auch die Energiequelle für rund 33 Prozent der US-Industrie.

Daher wird Methan derzeit nicht nur als Kraftstoff, sondern auch als grundlegende chemische Quelle genutzt. Die anhaltende Abhängigkeit der Gesellschaft von Methan zur Deckung des wachsenden Energiebedarfs hat negative Folgen für die Umwelt. Wissenschaftler müssen Technologien für die Umwandlung von Methan in nützlichere, hochwertige Kohlenstoffchemikalien durch einen kohlenstoffarmen oder kohlenstofffreien Prozess entwickeln.

Im Gegensatz zur thermischen Katalyse, die hohe Reaktionstemperaturen von über 400 °C oder teure Oxidationsmittel erfordert, nutzt die Photokatalyse Sonnenlicht oder künstliche Lichtquellen als einzigen Energieeintrag. Die Photokatalyse kann Methan mithilfe kostengünstiger, umweltfreundlicher Oxidationsmittel wie Wasser und Sauerstoff bei niedrigen Temperaturen selektiv zu C2+-Kohlenwasserstoffen oder Oxygenaten oxidieren.

Das Team stellt fest, dass die Photokatalyse derzeit nicht ohne Nachteile ist. Dazu gehören die geringe Ausbeute und die begrenzte Umwandlung in wertvollere Produkte. „Darüber hinaus sollte den höherwertigen Produkten größere Aufmerksamkeit geschenkt werden, was in diesem Bereich weiterhin eine große Herausforderung darstellt“, sagte Tang.

Mit Blick auf die Zukunft wird das Team seine Bemühungen auf die Erhöhung der Methanumwandlungsrate und die Umwandlung von Methan in wertvollere Produkte konzentrieren, indem es hocheffiziente Photokatalysatoren mit aktiven Reaktionsstellen entwickelt und das Reaktionssystem optimiert. „Unser oberstes Ziel ist es, die sieben grundlegendsten Chemikalien durch photokatalytische Methanumwandlung herzustellen“, sagte Tang.

Wenn das Team dieses Ziel erreichen kann, könnte ein beträchtlicher Teil der Chemikalien wie Oxygenate, Kohlenwasserstoffe und Polymere durch den kohlenstoffarmen Prozess der photokatalytischen Methanumwandlung gewonnen werden. „Dadurch könnten der Energieverbrauch und die Kohlendioxidemissionen bei der Produktion der wichtigsten Chemikalien deutlich reduziert werden“, sagte Tang.