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Was passiert genau, wenn Syngas entsteht? Neue Methoden ermöglichen, den Prozess in Echtzeit zu beobachten. So wurde die Frage beantwortet, wie Katalysatoren im Detail funktionieren.
Für viele Anwendungen in der Industrie braucht man Synthesegas, auch „Syngas“ genannt, eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Neben der klassischen Herstellungsmethode über Dampfreformierung kann Synthesegas alternativ und sogar energieeffizienter aus Methan (CH4) und Sauerstoff erzeugt werden. Allerdings muss man dabei darauf achten, dass das Methan nur teilweise oxidiert wird, und nicht vollständig. Bei vollständiger Oxidation würde nämlich kein Syngas entstehen, sondern nur Wasser und CO2. Deshalb ist die Syngas-Herstellung eine technisch komplizierte Aufgabe, an der weltweit intensiv geforscht wird.
Man verwendet dafür unter anderem Katalysatoren, die Elemente wie Palladium enthalten. Ungeklärt war bisher aber, wie die Umwandlung von Methan zu Syngas auf Palladiumoberflächen genau abläuft. Durch eine Kooperation der TU Wien mit der National University of Singapore (NUS) gelang es nun, den Vorgang mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, der sogenannten operando TEM, zu beobachten und gleichzeitig am Computer zu simulieren. Dabei zeigte sich: Die Reaktion verlangt das Zusammenspiel unterschiedlicher Katalysator-Bereiche.
Palladium und Palladium-Oxid
„Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Heute verwenden wir es nicht nur zum Heizen – das ist aus Klimaschutzgründen ein Problem – sondern auch als Rohstoff für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Auch in Zukunft wird Methan deshalb für die Erzeugung von Syngas eine Rolle spielen, und kann im nächsten Jahrzehnt wohl nicht vollkommen ersetzt werden.“
Daher wird heute intensiv nach neuen Prozessen gesucht, Syngas aus Methan effizienter herzustellen und dabei eine Überoxidation – also eine Verbrennung zu CO2 und Wasser – zu vermeiden. Dieser Prozess wird als „partielle Oxidation von Methan“ (POM) bezeichnet. „Wir haben in den letzten Jahren POM an verschiedenen Katalysatoren untersucht, die meist auf Nickel basierten“, so Rupprechter.
Mikroreaktor im Elektronenmikroskop
Dass solche Katalysatoren aus Metall-Nanopartikeln gut funktionieren, war bereits bekannt. Doch bisher war die Frage offen, was im Detail mit den einzelnen Metall-Nanopartikeln während der katalytischen Reaktion passiert. „Insbesondere wollten wir wissen: Wenn man die Reaktion mit Palladium-Nanopartikeln durchführt, ist dann das Palladium selbst für die Katalyse verantwortlich, oder Palladium-Oxid, das sich während der Reaktion bildet?“
Genau dieser Frage konnte man nun erstmals nachgehen, durch eine Kombination verschiedener hochmoderner Herangehensweisen: Das Team beobachtete die Nanopartikel in Echtzeit während der katalytischen Reaktion mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie. Gleichzeitig wurde mit Massenspektrometrie überwacht, welche Produkte zu welchem Zeitpunkt entstehen – und all das konnte dann durch Computersimulationen ergänzt werden. Durch diese Kombination wurde es erstmals möglich, ein genaueres mechanistisches Bild des Prozesses zu gewinnen.
Wie funktioniert der Katalysator?
Alexander Genest vom Team der TU Wien war zuvor am A*STAR High Performance Computing Centre in Singapur tätig und pflegt die Kooperation zwischen der TU Wien und Singapur somit schon seit Jahren. „Mittels Computersimulationen hatten wir uns zuvor bereits mit der Oxidation von Pd-Nanopartikeln und CO-Oxidation beschäftigt, daher war die Ausweitung auf Methanoxidation ein vielversprechender Schritt“, sagt Genest.
Gemeinsam mit dem Doktoranden Parinya (Lewis) Tangpakonsab führte er Simulationen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durch, um die Methan-Aktivierung und die nachfolgenden Reaktionsschritte zu untersuchen. „Wir wollten den Ursprung von partieller und totaler Oxidation verstehen und aufklären, was auf atomarer Ebene genau geschieht“, so Tangpakonsab.
Metall und Oxid: nur in Kombination erfolgreich
Das Ergebnis war komplexer als erwartet: Weder Metall noch Metalloxid sind alleine für die Katalyse verantwortlich – optimal ist ein Zusammenspiel von beiden. „Die beiden Phasen übernehmen unterschiedliche Aufgaben“, erklärt Günther Rupprechter. „Das Palladium dehydriert Methan zu Kohlenstoff und Wasserstoff, das Palladium-Oxid hingegen oxidiert den Kohlenstoff zu CO.“ Das bedeutet: Gerade an den Grenzbereichen zwischen Palladium und Palladiumoxid kann die effizienteste Katalyse stattfinden.
„Unsere Gruppe war bereits in der Vergangenheit sehr aktiv in der Elektronenmikroskopie von Oberflächenoxidationsreaktionen, aber die neue operando-TEM-Studie erweitert diese Untersuchungen auf industrielle Bedingungen. Gefördert durch den Exzellenzcluster MECS werden wir bald auch an der TU Wien spezielle Reaktorzellen für solche operando-TEM-Untersuchungen zur Verfügung haben“, sagt Günther Rupprechter, Forschungsdirektor von MECS.
Prof. Günther Rupprechter
Institut für Materialchemie
Technische Universität Wien
+43 1 58801 165100
guenther.rupprechter@tuwien.ac.at
Operando TEM Study of Partial Oxidation of Methane over Pd Nanoparticles
Yingying Jiang, Parinya (Lewis) Tangpakonsab, Alexander Genest, Günther Rupprechter, Utkur Mirsaidov
Advanced Science, e07303 (2025)
https://doi.org/10.1002/advs.202507303
Bilder der Strukturen und Grenzflächen von PdO (rot) und Pd (blau) in atomarer Auflösung mit Darstel ...
Quelle: TU Wien
Copyright: TU Wien
Das TU Wien Team (l.n.r.): Günther Rupprechter, Alexander Genest, der "Geist aus dem Computer" (auch ...
Quelle: TU Wien
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