Wissenschaft
Was genau während der Reaktion bei der Herstellung von Methanol passiert, war bisher unbekannt. Einem internationalen Team unter Beteiligung mehrerer Innsbrucker Forscher ist es nun gelungen, einen Live-Blick in die Methanolsynthese zu werfen.
04.06.2022 15.06
Ab heute, 6.15 Uhr online
Forscher erläutern ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science. Methanol wird industriell mit Hilfe eines Katalysators hergestellt. Bei Temperaturen von 150 bis 300 Grad Celsius und Drücken von 50 bis 100 bar reagieren Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methanol.
Methanol
Methanol ist einer der wichtigsten Rohstoffe in der Petrochemie: Weltweit werden jährlich etwa 110 Millionen Tonnen produziert und zu zehntausenden unterschiedlichen Produkten wie Kunststoffen, Waschmitteln, Pharmazeutika und Kraftstoffen verarbeitet.
Großes Fragezeichen bisher
Die etablierte Methanolproduktion, die zugrunde liegende Funktion und der chemische Zustand der Katalysatorkomponenten (Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid) während der Reaktion waren ein Rätsel.
Einem Team um den österreichischen Physiker Peter Amann von der Universität Stockholm ist es nun erstmals gelungen, die Oberfläche eines Kupfer-Zink-Katalysators unter realen Bedingungen, also bei relativ hohen Drücken und Temperaturen, bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol zu beobachten. Dieser wichtige Schritt wurde unter Beteiligung von Bernhard Klötzer und seiner Arbeitsgruppe vom Innsbrucker Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck unternommen. Beteiligt waren auch Forschende der Technischen Universität (TU) Wien.
Uni Innsbruck Die Arbeitsgruppe um Bernhard Klötzer vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck
Kombiniertes Instrument mit Forschungslichtquelle PETRA III
Ein unter der Leitung von Amann entwickeltes Instrument zur Photoelektronenspektroskopie, das inzwischen zum deutschen Oberflächenanalyseunternehmen Scienta Omicron gewechselt ist, kam in Kombination mit der Forschungslichtquelle PETRA III, einer der hellsten Röntgenquellen der Welt, zum Einsatz Deutsches Elektron. Synchrotron (DESY) in Hamburg. Dadurch war es möglich, die Oberfläche des Katalysators unter Hochdruck zu untersuchen und die Forscher konnten direkt beobachten, was während der Reaktion passiert.
DESY Der Erstautor der Studie, Peter Amann, und Christoph Schlüter vom Deutschen Elektronischen Synchrotron (DESY)
„Die Untersuchung chemischer Reaktionen an Oberflächen unter realen Bedingungen ist experimentell sehr schwierig. Das neu entwickelte System ermöglicht uns einen tiefen Einblick in die komplexen Phänomene der Methanolsynthese“, sagte Amann der APA. Je nach Anteil von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Gasgemisch konnten die Forscher unterschiedliche Verhaltensweisen der Katalysatoroberfläche feststellen. Sie zeigten auch, dass Zink direkt auf der Oberfläche des Katalysators mit Kupfer legiert, wodurch spezielle atomare Stellen entstehen, an denen aus Kohlendioxid Methanol gebildet wird.
Für Wissenschaftler ist ein besseres Verständnis der Prozesse bei der Methanolsynthese ein Ausgangspunkt, um bestehende Katalysatoren zu optimieren und nach neuen, besseren zu suchen.