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Greenhouse gases to valuable liquid chemicals: High-flux zeolite membrane-based reactor for the efficient conversion of CH4 and CO2

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Umwandlung von Treibhausgasen in wertvolle Flüssigchemikalien

Mit Unterstützung von EU-Finanzmitteln entwickeln Forschende effizientere und wirtschaftlichere Verfahren zur Umwandlung von Erdgas und Kohlendioxid in hochwertige Chemikalien.

Klimawandel und Umwelt

Dass CO2 den Klimawandel verursacht, ist heute den meisten Menschen bekannt. Vielen ist jedoch nicht bekannt, dass es sich bei Erdgas, kurz CH4, um eine andere, noch stärkere Form von Treibhausgas handelt. „Da die Erdgasproduktion steigt, wird es immer notwendiger, gleichzeitig gegen CO2- und CH4-Emissionen vorzugehen“, sagt Bert Weckhuysen, Professor an der Universität Utrecht in den Niederlanden. Die Dringlichkeit der Klimakrise und der Anstieg der Erdgasproduktion beschleunigen den Bedarf an einer wirksamen Methode zur Umwandlung von Methan in flüssige Brennstoffe und andere chemische Grundstoffe. An der Deckung dieses Bedarfs arbeitet das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt ZeoMemRx (Greenhouse gases to valuable liquid chemicals: High-flux zeolite membrane-based reactor for the efficient conversion of CH4 and CO2). „Die Umwandlung von CH4 und CO2 sind miteinander verbundene Ziele“, erklärt Hauptforscher Weckhuysen. „Eine vielversprechende Strategie, um diese doppelte Umwandlung zu erreichen, ist die Umwandlung der beiden Gase in leicht transportierbare flüssige Chemikalien.“ Dieser Ansatz ist besonders attraktiv, weil eine solche Umwandlung die Menge der in die Atmosphäre abgegebenen Emissionen senkt. Außerdem entstehen so Grundchemikalien, die entweder als Brennstoffe oder als Grundstoffe für viele industrielle Prozesse verwendet werden können. „Leider ist die tatsächliche Durchführung dieser Umwandlung leichter gesagt als getan“, sagt Weckhuysen.

Herausforderungen bei der Umwandlung

Laut Weckhuysen gibt es bei den derzeitigen Ansätzen zur Umwandlung, Trennung und Nutzung von CH4 und CO2 mehrere große Probleme. Zum Beispiel erfordert die Umwandlung von CO2 in wertvollere Chemikalien eine zuverlässige Wasserstoffquelle. Hinzu kommt, dass die hohe thermodynamische Stabilität von CO2 die Umwandlung in andere Chemikalien sehr erschwert. Außerdem ist zu bedenken, dass CH4 schnell deaktiviert wird, ganz zu schweigen davon, dass CH4 oft nur in sehr abgelegenen Gebieten zu finden ist. Das letztgenannte Problem macht aktuelle Gas-zu-Flüssigkeit-Technologien, wie beispielsweise die Umwandlung in Synthesegas und die anschließende Veredelung über den Prozess der Fischer-Tropsch-Synthese (FTS), unwirtschaftlich. Diese Herausforderungen erfordern innovative Ansätze, um effizientere und wirtschaftlichere Prozesse für die Umwandlung von CH4 und CO2 in hochwertige Chemikalien zu entwickeln – und genau das ist das Ziel des ZeoMemRx-Projekts. „Wir schlagen einen Hochfluss-Reaktor auf Zeolith-Membranbasis vor, der in der Lage ist, ein Gemisch aus CH4 und CO2 effektiv in Kohlenwasserstoffe und Aromaten umzuwandeln – einschließlich Benzol, einer vielseitigen Plattformchemikalie“, merkt Weckhuysen an. Ein zentrales Merkmal des anvisierten Systems ist eine hochorientierte Zeolithmembran mit einer einstellbaren Zusammensetzung, die auf einem porösen Substrat hergestellt wird. Dies verleiht dem System die Fähigkeit, das Reaktionsgleichgewicht zu verschieben und die Kontaktzeit zu verringern, was zu einer hohen katalytischen Leistung führt.

Die richtigen Fachleute, die richtigen Kompetenzen und die richtigen Ziele

Obwohl noch in Arbeit, ist es den Forschenden gelungen, den hochorientierten Zeolith und verwandte Katalysatormaterialien herzustellen, die für die Aktivierung von CO2 und CH4 erforderlich sind. Außerdem haben sie den ersten Prototyp eines Membranreaktorsystems zur Einleitung der Reaktion entwickelt, der nun einer weiteren Prüfung unterzogen wird. „Alles, vom Wissenstransfer über den Aufbau des neuen Reaktorsystems bis hin zur Schaffung neuer Materialien, ist das Ergebnis der Teamarbeit und der Kollaboration, die dieses Projekt geprägt haben“, fasst Weckhuysen zusammen. „Eine großartige Idee zu haben reicht nicht, denn ohne die richtigen Fachleute, die richtigen Kompetenzen und die richtigen Ziele wird sie genau das bleiben – nur eine Idee.“

Schlüsselbegriffe

ZeoMemRx, Klimawandel, Treibhausgase, Erdgas, Flüssigchemikalien

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