Metan är rikligt och en billig energikälla, men det är också inert, vilket innebär att det är svårt att bryta isär dess starka kemiska bindningar för att omvandla det till andra molekyler. För att övervinna denna utmaning har forskare undersökt användningen av katalysatorer, material som påskyndar kemiska reaktioner utan att förbrukas i processen.
Teamet vid TUM, under ledning av professor Johannes Lercher, använde en kombination av experimentella och beräkningstekniker för att studera hur metan interagerar med en modellkatalysator gjord av rodiumnanopartiklar som bärs upp på en ceriumoxidyta. De fann att nyckeln till att aktivera metan på katalysatorn var att skapa specifika "hot spots", där metanmolekylerna kunde komma i nära kontakt med de aktiva platserna på katalysatorytan och reagera.
Forskarna uppnådde detta genom att kontrollera storleken och fördelningen av rodiumnanopartiklarna och genom att modifiera ytegenskaperna hos ceriumoxidstödet. De fann att genom att skapa ett mycket dispergerat arrangemang av små rodiumnanopartiklar på ceriumoxidytan och modifiera katalysatorns elektroniska struktur, kunde de avsevärt förbättra den katalytiska aktiviteten för metanomvandling.
Studien ger viktiga insikter i design och optimering av katalysatorer för metanaktivering och omvandling, och kan få konsekvenser för utvecklingen av mer effektiva och miljövänliga processer för att utnyttja naturgas.
Metan står för cirka 10 % av den globala energiförbrukningen, och det används mest för uppvärmning och elproduktion. Men metan kan också omvandlas till en mängd värdefulla produkter, såsom väte, metanol och eten, som används vid tillverkning av bränslen, plaster och andra kemikalier.
Utmaningen med att omvandla metan ligger i dess höga bindningsstyrka, vilket gör det svårt att bryta isär molekylerna. Detta kräver höga temperaturer eller användning av katalysatorer, material som påskyndar kemiska reaktioner utan att förbrukas i processen.
Teamet på TUM fokuserade på att utveckla en katalysator som kunde aktivera metan vid relativt låga temperaturer, vilket skulle göra processen mer energieffektiv. De använde en modellkatalysator sammansatt av rodiumnanopartiklar uppburna på en ceriumoxidyta.
Genom att noggrant kontrollera storleken och fördelningen av rodiumnanopartiklarna, såväl som de elektroniska egenskaperna hos katalysatorytan, kunde forskarna skapa specifika "hot spots" på katalysatorn där metanmolekyler kunde reagera effektivt.
Studien visar vikten av exakt katalysatordesign och ingenjörskonst för att frigöra metanets fulla potential som ett mångsidigt råmaterial för produktion av bränslen och kemikalier.
