Sarebbe una tripla vittoria, per il clima, risorse di materie prime, e l'industria chimica. Con il loro lavoro, gli scienziati del Fritz Haber Institute della Max Planck Society di Berlino sperano di creare le basi per estrarre prodotti chimici utili come la plastica dal metano che di solito viene espulso durante la produzione di petrolio. Stanno studiando come progettare un catalizzatore che converta il metano in etene in modo più efficiente di quanto sia attualmente possibile. Ora hanno trovato un indizio rivoluzionario.

Circa 140 miliardi di metri cubi di metano, che sfugge durante la produzione mondiale di petrolio, sono svasati ogni anno. Questo è considerevolmente più dei 90 miliardi di metri cubi stimati di gas naturale che la Germania ha consumato nel 2019. Questo non solo alimenta il cambiamento climatico, ma spreca anche un combustibile fossile non rinnovabile. Però, non sarebbe redditizio costruire condutture o impianti di liquefazione per le quantità relativamente piccole di metano estratto incidentalmente nei singoli siti di produzione di petrolio. Sarebbe, però, varrebbe la pena di trasportare il metano se potesse essere economicamente convertito in sostanze di interesse per l'industria chimica. Una di queste sostanze è l'etene, il materiale di partenza per il polietilene e molti altri prodotti. Questi sono prodotti quasi esclusivamente da petrolio greggio. Sfortunatamente, la reazione chimica che converte il metano direttamente in etene procede ad alte temperature. "Questo non solo costa molta energia, ma provoca anche una grande proporzione del metano che brucia per formare il sottoprodotto indesiderabile CO ₂ , "dice Annette Trunschke, capogruppo di ricerca presso il Fritz Haber Institute della Max Planck Society. "Quindi non ha ancora molto senso."

Il sodio è il componente essenziale

Il chimico e il suo team vogliono cambiare questa situazione. Ecco perché hanno messo gli occhi sul componente decisivo del processo:il catalizzatore a base di sodio, manganese, tungsteno, e silicio. Ciò facilita la conversione chimica del metano in etene, sebbene finora solo a 700°C. Al fine di sviluppare catalizzatori che lavorino a temperature più basse (cioè con minor apporto energetico) e favoriscano solo la formazione dei prodotti desiderati, i chimici devono prima sapere cosa è importante in un catalizzatore per questa reazione. Secondo la ricerca del gruppo di Trunschke, questo componente essenziale è il sodio.

"Fino ad ora, ci sono state diverse teorie su quale elemento nel catalizzatore è cruciale per convertire il metano in etene, " dice Trunschke. "E 'stato un po' una sorpresa che il sodio, di tutte le cose, era il componente importante perché doveva effettivamente evaporare alle alte temperature della reazione”. Tuttavia, la ricerca ha rivelato qualcos'altro. Ad alte temperature, il metallo alcalino viene convertito nell'ossido di sodio cataliticamente attivo. L'ossido viene rilasciato solo per breve tempo e in quantità minime a causa della stretta interazione con gli altri componenti del catalizzatore, ed è così impedito l'evaporazione. "Questo rende chiaro che gli altri componenti del catalizzatore sono necessari solo per rilasciare e stabilizzare la forma attiva del catalizzatore, "dice Trunschke.

Connessione in tempo reale al catalizzatore funzionante

I ricercatori sono giunti a questa conclusione perché sono stati i primi a vedere il catalizzatore in azione. Utilizzando la spettroscopia Raman in un apparato appositamente sviluppato, hanno analizzato quali sostanze si producono sul catalizzatore mentre su di esso scorrevano i materiali di partenza della reazione. "Finora, i catalizzatori sono stati studiati solo prima e dopo la catalisi. Le analisi mediante spettroscopia Raman ad alte temperature sono state finora effettuate solo su catalizzatori non funzionanti, "dice Maximilian Werny, che ha fatto gli esperimenti come parte della sua tesi di master. "Utilizzando la spettroscopia Raman, abbiamo osservato per la prima volta come vengono creati i prodotti."

Sia la possibilità di ottenere un'immagine dal vivo della conversione del metano in etene, e la conoscenza del catalizzatore a base di sodio, manganese, tungsteno, e il silicio potrebbe aiutare i chimici a sviluppare mediatori chimici che lavorano a temperature più basse e quindi producono solo il desiderato, prodotti utili e zero CO ₂ in maniera più mirata. Un approccio potrebbe essere quello di sostituire il sodio con altri metalli alcalini e verificare se i corrispondenti catalizzatori producono etene a temperature più basse. "Probabilmente avresti bisogno di altri componenti per tenere il metallo in posizione, " dice Trunschke. Lei e il suo team sarebbero quindi in grado di seguire la modalità di azione dei candidati per catalizzatori alternativi. I chimici dovrebbero quindi essere in grado di sviluppare un catalizzatore che aiuterà a prevenire lo spreco di metano nella produzione di petrolio e fare almeno un piccolo contributo alla protezione del clima.