Metal-Organic Frameworks als intelligente Trägermaterialien für die direkte partielle Oxidation von Methan zu Methanol

Stipendiatin/Stipendiat: Marco Bengsch

Methan trägt nach CO2 am stärksten zum anthropogenen Klimawandel bei, da Methan ein 84 Mal höheres Treibhauspotential in einem Zeitraum von 20 Jahren als CO2 aufweist. Aktuell sind die Methanemissionen höher als durch den natürlichen Abbau bzw. der Einlagerung von Methan aus der Atmosphäre entfernt wird, wobei über die Hälfte der Emissionen anthropogenen Quellen zugeordnet wird. Der Abbau fossiler Energieträger (Kohle, Öl und Gas) trägt dabei mit rund einem Drittel zu den anthropogenen und mit rund 18 % zu den gesamten Emissionen bei. Lediglich durch den partiellen Abbau dieser Emissionen ließe sich das Gleichgewicht so weit verschieben, dass mehr Methan aus der Atmosphäre entfernt als emittiert wird.

Die Funktionalisierung kinetisch inerter Moleküle wie Kohlenwasserstoffe führt häufig zu Produkten, die reaktiver sind als die Ausgangsstoffe, was zu einer begrenzten Selektivität für das gewünschte Produkt führt. Die Umwandlung von Methan in wertschöpfende und leicht zu transportierende Chemikalien wie Methanol erfolgt derzeit in einem energieintensiven, zweistufigen Verfahren. Die direkte partielle Oxidation von Methan zu Methanol gilt seit langem als einer der heiligen Grale der Katalyse. Jedoch gibt es keinen Katalysator, der Methan schneller als Methanol in einem kontinuierlichen, wasserfreien Prozess oxidiert.

Während die bekannten produktiven und selektiven Routen für die Umwandlung von Methan in Methanol über indirekte Synthesen verlaufen, zielt diese Arbeit auf die direkte partielle Methanoxidation ab. Als Katalysator für die Transformation von Methan zu Methanol streben wir ein metal-organic framework (MOF) an in welchem ein Übergangsmetall als aktives Zentrum abgeschieden ist. Anders als die überwiegende Mehrheit der Trägermaterialien für Katalysatoren soll das MOF eine aktive Rolle in der katalytischen Transformation einnehmen und somit sowohl die Selektivität als auch die Ausbeute erhöhen. Im Vergleich zu den klassischen Trägern bieten MOFs eine größere Vielfalt gut definierter poröser Strukturen, die ihre Modifizierung auf molekularer Ebene ermöglichen. Als Inspiration für den Katalysator dienen Methan-Monooxygenase-Enzyme (MMOs), welche eine partielle Methanoxidation mit nahezu 100 % Selektivität für Methanol erreichen.

Förderzeitraum:
01.09.2022 - 31.05.2025

Institut:
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Heterogeneous Catalysis

Betreuer:
Dr. Constanze Neumann

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