Chemie für die Methanol-Wirtschaft

Es ist die weltweit am h?ufigsten produzierte Grundchemikalie: Ethen ¨C ein kleines Molek¨¹l bestehend aus zwei Kohlenstoffatomen und vier Wasserstoffatomen. Es ist ein Grundbaustein f¨¹r eine grosse Palette an Polymeren und Weichmachern. Der weitverbreitete Verpackungskunststoff Polyethylen (PE) ist nur einer davon. W?hrend Ethen heute vor allem durch sogenanntes Cracken von Erd?l hergestellt wird, nimmt mit den stets stark schwankenden Preisen und den endlichen Reserven von Erd?l ein alternativer Herstellungsweg stark an Bedeutung: dessen Synthese aus Methanol. Bekannt ist dieser Syntheseschritt unter dem englischen Namen ?Methanol-to-olefins? (MTO). Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich und der ENS Lyon haben nun im Detail aufgekl?rt, wie diese Reaktion beginnt.

Chemiker entwickelten den MTO-Prozess in den sp?ten 1970er-Jahren, heute stehen Produktionsanlagen weltweit. Nirgends jedoch gibt es so viele davon wie in China: F¨¹nf Grossanlagen sind dort in Betrieb, dreizehn weitere in Planung. Denn China hat einen riesigen Bedarf an Petrochemikalien, jedoch kein Erd?l. Allerdings hat das Land Kohlereserven, und ¨¹ber die Vergasung von Kohle kann auf einfache Weise Methanol hergestellt werden. Ausserdem l?sst sich Methanol aus Erdgas herstellen. Chinesische Investoren planen daher, in den USA aus dem dort in F¨¹lle vorhandenen Schiefergas Methanol f¨¹r den Export nach China herzustellen.

Woher stammt das notwendige Carbenium-Ion?

Damit die MTO-Reaktion ¨¹berhaupt stattfindet, werden dem Methanol bei 400 Grad Celsius sogenannte Zeolithe als Katalysator beigemischt. Das sind por?se Aluminiumsilikat-K?rner. Lange Zeit konnten Wissenschaftler den chemischen Mechanismus der MTO-Reaktion nicht genau erkl?ren. Und vor 20 Jahren postulierten Chemiker, dass ein weitere Molek¨¹le im Spiel sein m¨¹ssen: ringf?rmige, positiv geladene Kohlenwasserstoff-Molek¨¹le, in denen f¨¹nf bis sechs Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind. Es sind diese Carbenium-Ionen genannten Molek¨¹le, welche eigentlich mit Methanol reagieren: Sie f¨¹gen zwei Methanol-Molek¨¹le zusammen und stellen eine chemische Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen her, womit Ethen entsteht.

Nur: Wie gelangen diese Carbenium-Ionen ins Reaktionsgemisch? Wissenschaftler stellten schon fr¨¹h die Hypothese auf, dass das Methanol damit verunreinigt sein k?nnte und diese Verunreinigung eine Voraussetzung daf¨¹r ist, dass die Reaktion ¨¹berhaupt starten kann.

Das schweizerisch-franz?sische Forscherteam schl?gt nun eine andere Erkl?rung vor. ?Wir konnten zeigen, dass Aluminumoxid, welches auch in den Zeolith-Katalysatoren vorhanden ist, Methanol in Ethen und andere Kohlenwasserstoffe umsetzen kann. Diese wiederum k?nnen in den Poren der Zeolithe in Carbenium-Ionen umgewandelt werden?, erkl?rt Christophe Cop¨¦ret, Professor f¨¹r Oberfl?chen- und Grenzfl?chenchemie an der ETH Z¨¹rich und einer der Autoren der Studie. ?W?hrend die MTO-Reaktion bereits sehr gut im industriellen Massstab l?uft, erkl?ren wir nun, wie sie zum Laufen kommt. Unsere Arbeit zeigt ausserdem, dass einfache Oxide wie Aluminumoxid die Verbindung von zwei Kohlenstoffatomen ausl?sen kann. Damit werden nun auch neue Wege denkbar f¨¹r die Umwandlung von Methanol-Abk?mmlingen in l?ngerkettige Kohlenwasserstoffe.?