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. Bisher war nicht bekannt, was genau mit dem Katalysator während der Reaktion passiert. Einem internationalen Team unter Beteiligung österreichischer Forscher ist es nun gelungen, die Methanolsynthese live unter die Lupe zu nehmen, berichtet die Fachzeitschrift Science.
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. Wie der Herstellungsprozess aufgebaut ist, 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, dem auch Forscher der Universität Innsbruck und der Technischen Universität (TU) Wien angehörten, ist es nun erstmals gelungen, die Oberfläche eines Kupferkatalysators zu untersuchen. unter realen Bedingungen, also unter relativ hohen Drücken und Temperaturen, die bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol beobachtet werden.
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.
„Chemische Reaktionen an Oberflächen unter realen Bedingungen zu untersuchen, ist experimentell sehr schwierig. Die neu entwickelte Anlage ermöglicht es uns, die komplexen Phänomene der Methanolsynthese in der Tiefe kennenzulernen“, 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.
Service: