Onderzoekers zetten methaan om in mierenzuur met een hoog rendement onder milde omstandigheden

Methaan is een veelbelovende energiebron voor de productie van chemicaliën met een hoge toegevoegde waarde. Methaanconversie in chemicaliën of brandstoffen met toegevoegde waarde onder milde omstandigheden is een van de meest populaire onderwerpen in energie en katalyse geworden.

De hoge symmetrie en lage polariseerbaarheid van methaanmoleculen maken het echter een uitdaging om methaan onder milde omstandigheden te activeren. Bovendien zijn de doelproducten meestal reactiever dan methaan en zijn ze onderhevig aan overoxidatie door het broeikasgas CO₂.

Onlangs heeft een groep onder leiding van prof. DENG Dehui en Assoc. Prof. Yu Liang van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) zette methaan met hoge efficiëntie onder milde omstandigheden om in mierenzuur (HCOOH). Hun studie werd op 29 december gepubliceerd in Nano Energy.

De onderzoekers ontdekten dat zeer efficiënte en selectieve oxidatie van methaan tot HCOOH kan worden bereikt op de atomair verspreide Fe-sites die zijn opgesloten in de kanalen van ZSM-5.

Door de silica-alumina-verhouding en Fe-lading in de ZSM-5 aan te passen om de micro-omgeving van de actieve Fe-soorten te moduleren, bereikten ze een omzetfrequentie (TOF) van 84200 uur^-1 voor het produceren van C1-oxygenaten en een hoge HCOOH-selectiviteit van 91% met een productiviteit van 383,2 mmol gcat.^-1 h^-1 bij 80 graden C.

“Dit resultaat overtrof alle eerder gerapporteerde methaanomzettingskatalysatoren die onder vergelijkbare omstandigheden werkten”, aldus prof. DENG.

Bovendien ontdekten ze, door verschillende karakteriseringen en berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie te combineren, dat Fe-O-actieve sites kunnen worden gegenereerd door H2O2-dissociatie op zowel de mononucleaire als de binucleaire Fe-centra die binnen de kanalen van ZSM-5 zijn opgesloten.

De Fe-O-actieve sites zouden de activering en splitsing van de CH-binding van methaan kunnen vergemakkelijken en daardoor de opeenvolgende oxidatie van methaan tot mierenzuur via methanol en formaldehyde via vrije radicalen kunnen bevorderen, terwijl de overoxidatie naar CO wordt geremd.₂.

Deze studie effent een nieuwe route voor het ontwerpen en bouwen van actieve sites met roosterbeperkingen voor zeer efficiënte omzetting van methaan onder milde omstandigheden.