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Grüne Chemie: Ethylen aus Methan gewinnbar

Ulmer Chemikern ist es in einem Versuch gelungen, aus Methan Ethylen zu gewinnen. Als Katalysator dienten wenige Partikel von Goldatomen. Das möglicherweise wegweisende Experiment führten Forscher um den Ulmer Chemiker Thorsten Bernhardt in Zusammenarbeit mit Uzi Landman vom Georgia Institute of Technology in Atlanta (USA) durch.

Die Tragweite dieses Versuches, den die renommierte Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ zu einer Titelgeschichte machte, ergibt sich daraus, dass Ethylen (heute gebräuchlicher Ethen) bislang eines der wichtigsten petrochemischen Produkte ist und der chemischen Industrie als Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von Produkten dient. Anders als das in seiner statistischen Reichweite begrenzte Erdöl steht nach amtlichen Schätzungen der Energieträger Erdgas, der in Hauptsache aus Methan besteht, noch „über viele Jahrzehnte“, so das Bundeswirtschaftsministerium, zur Verfügung.

Sorgte mit seiner Reaktion für Aufsehen in der Fachwelt, der Ulmer Chemiker Prof. Thorsten Bernhardt, hier mit seiner Mitarbeiterin Sandra Lang. © Uni Ulm

„Für uns war es lupenreine Grundlagenforschung“, sagt Thorsten Bernhardt, stellvertretender Direktor des Instituts für Oberflächenchemie und Katalyse der Universität Ulm. „Aber wenn bestimmte Abläufe erst einmal bekannt und belegt sind, ist der Weg zur praktischen Anwendung oft nicht mehr so weit“.

Bernhardt beschäftigt sich seit langem, seit 2005 in Ulm, mit kleinen Teilchen, sogenannten Clustern, kleiner als Nanopartikel, in der „Größenordnung“ zwischen Festkörpern und Atomen. Das Besondere an Clustern beschreibt der Chemiker so: „Ihre Eigenschaften kann man nicht vorhersagen, schon jedes einzelne Atom verändert diese“.

Statt Methanol Ethylen

Ursprünglich wollte Bernhardt mit seinen Versuchen nicht Ethylen, sondern Methanol herstellen. Dieser Alkohol in seiner einfachsten Form ist gefragt als Kraftstoff wie als Lieferant von Wasserstoff in Brennstoffzellen und dient der Industrie als Basischemikalie. Der erfolgreichen Reaktion zu Ethylen vorausgegangen waren Versuche mit verschiedenen katalytischen Metallclustern. Erst bei Tests mit Partikeln aus sehr wenigen Goldatomen wurden die Forscher fündig. Einfach positiv geladene Teilchen aus zwei Goldatomen, eine Art Goldnebel und in einer sogenannten Ionenfalle durch elektrische Felder fixiert, wandelten im Massenspektrometer das eingeblasene Methan zu Ethylen.

Wichtig für das Verständnis der Wissenschaftler war dies, dass „wir alle Zwischenstufen der Reaktion festhalten konnten, und in Verbindung mit den Modellrechnungen unseres Kollegen Uzi Landman waren wir in der Lage, den Reaktionsmechanismus für diesen katalytischen Zyklus zu formulieren“, so Bernhardt.

Die Eignung kleiner Goldteilchen als Katalysatoren haben nach Bernhardts Worten schon vor geraumer Zeit japanische Wissenschaftler entdeckt. Molekulare Details seien aber noch wenig verstanden, sagt Bernhardt.

Die Arbeit seiner Gruppe habe nun „ein sehr gutes Bild ermöglicht, wie die Methan-Moleküle zusammenkommen, wie sie sich verändern und an zweiatomigen Goldteilchen zu Ethylen umwandeln“. Das jetzt beschriebene Verfahren ist nach Bernhardts Überzeugung „grüne Chemie“ im besten Sinne, ohne Einsatz giftiger Substanzen, rückstandsfrei und mit geringem Energieverbrauch. Dass für den Modellversuch ein möglichst einfaches System gewählt worden sei, habe entscheidend zum hohen Detailverständnis beigetragen, erklärt der Chemiker. „Darauf können wir bei zukünftigen Untersuchungen aufbauen.“

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