18.08.2009 - Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Ein Pulver gegen Energieverschwendung

Max-Planck-Chemiker wandeln Methan auf einfache Weise in Methanol um und könnten so bislang ungenutztes Erdgas verwertbar machen

Die Erdgasressourcen reichen nach derzeitigem Stand noch für 130 Jahre - doch bislang lohnt sich die Förderung nur aus Reserven, die vermutlich nur noch 60 Jahre sprudeln werden. Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Kohlenforschung sowie für Kolloid- und Grenzflächenforschung tragen jetzt dazu bei, dass sich größere Vorkommen wirtschaftlich anzapfen lassen könnten. Sie haben einen Katalysator entwickelt, der Methan einfach und effizient in Methanol umwandelt. Methanol lässt sich auch von Orten abtransportieren, zu denen sich der Bau einer Erdgaspipeline nicht lohnt.

Eine Pipeline zu entlegenen oder kleinen Ergasfeldern zu bauen, ist nicht ökonomisch. Und um an das Methan in Kohleflözen sowie in Gassanden zu gelangen, oder um Methan zu nutzen, das als Nebenprodukt der Erdölproduktion abgefackelt wird, lohnt dieser Aufwand schon gar nicht. Dabei könnte alleine das weltweit abgefackelte Methan mehr als den Erdgasbedarf Deutschlands decken. Auch das Gas zu verflüssigen und mit Zügen und Tankern zu verfrachten, ist zu teuer. Und sogar die Chemie hilft hier bislang nicht weiter. Mit ihr lässt sich Methan zwar in Methanol verwandeln, das leicht zu transportieren ist und sich als Energieträger sowie als Rohstoff für die Chemie-Industrie eignet. "Doch die Dampfreformierung mit anschließender Methanolsynthese oder anschließender Fischer-Tropsch-Synthese zur Produktion von Dieselkraftstoff, die bislang gängigen Verfahren dafür, rechnen sich nicht", sagt Ferdi Schüth, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Das könnte sich mit einem Katalysator ändern, den er und seine Mitarbeiter zusammen mit Chemikern um Markus Antonietti am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam entwickelt haben.

Der Katalysator besteht aus einem stickstoffhaltigen Material, einem kovalenten triazinbasierten Netzwerk (CTF), das die Potsdamer Chemiker synthetisieren. "Dieser Feststoff ist so porös, dass die Oberfläche eines Gramms etwa so groß ist wie ein Fünftel Fußballfeld", sagt Markus Antonietti. In das voluminöse Gitter des CTF bauen die Mülheimer Forscher Platinatome ein. Dank seiner großen Oberfläche oxidiert der Katalysator Methan effizient zu Methanol. Denn sie bietet dem Methan viel Platz, um zu reagieren, wenn die Chemiker ihn in oxidierende Schwefelsäure tauchen, Methan in die Säure pressen und das Gemisch unter Druck auf 215 Grad erhitzen. Aus mehr als drei Viertel des umgesetzten Gases entsteht dabei Methanol.

Ein Katalysator, den der amerikanische Chemiker Roy Periana schon vor mehr als zehn Jahren aus Platin und dem einfachen stickstoffhaltigen Bipyrimidin hergestellt hat, erzeugt zwar genauso wirkungsvoll Methanol, fördert die Reaktion aber nur in gelöster Form. Daher muss der Katalysator - Chemiker sprechen von einer homogenen Katalyse - anschließend unter großem Aufwand und mit einigen Verlusten abgetrennt werden. "Bei unserer heterogenen Katalyse ist das viel einfacher", sagt Ferdi Schüth: Die Mülheimer Chemiker filtern den pulverförmigen Katalysator aus Platin und CTF ab und trennen anschließend Säure und Methanol in einer einfachen Destillation.

Dabei arbeitet der Katalysator der Max-Planck-Chemiker wahrscheinlich nach demselben Mechanismus wie der Periana-Katalysator, und ist auch von diesem inspiriert. "Als ich die Struktur von CTF gesehen habe, sind mir die Strukturelemente aufgefallen, die mit dessen Bipyrimidin-Liganden übereinstimmen", sagt Schüth: "Da kam mir die Idee, daraus den festen Katalysator zu herzustellen."

Um einer großtechnischen Anwendung noch näher zu kommen, versuchen er und seine Kollegen den Prozess nun mit gasförmigen statt gelösten Ausgangsstoffen zu ermöglichen. "Außerdem suchen wir nach ähnlichen, noch wirkungsvolleren Katalysatoren", so Schüth: "Effizientere homogene Katalysatoren mit anderen Liganden als Bipyrimidin haben wir schon gefunden." Diese nehmen sie sich nun zum Vorbild für einfacher handhabbare Katalysatoren wie das Pulver aus CTF und Platin.

Originalveröffentlichung: Regina Palkovits, Markus Antonietti, Pierre Kuhn, Arne Thomas, and Ferdi Schüth; "Solid Catalysts for the Selective Low-Temperature Oxidation of Methane to Methanol"; Angewandte Chemie Int. Ed., in press

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