Methaanoxidatie is moeilijk vanwege de hoge bindingsdissociatie-energie van de C-H-bindingen. Als je die wilt breken, moet je chemische trucs toepassen. Onderzoekers van de universiteit van Tsukuba in Japan bedachten een ijzerkatalysator die een methaanmolecuul kan isoleren en oxideren in een hydrofobe holte, waarna de katalysator het resulterende methanolmolecuul afstoot.

De katalysator heeft meerdere voordelen. Gewoonlijk bestaan katalysatoren uit dure of zeldzame metalen, maar deze is gemaakt met ijzer, dat natuurlijk veel voorkomt en goedkoop is. Het is ook oplosbaar in water, waardoor de reactiecondities zeer mild zijn. De structuur van de katalysator helpt daarnaast bij het ‘vangen’ van methaan: het ijzerion is hexagonaal bipyramidaal georiënteerd, met grote platte aromatische structuren aan de zijkanten. Aan de bovenkant is er een opening waar watermoleculen aan het ijzer kunnen coördineren, en tussen de hydrofobe aromatische structuren is ruimte voor een methaanmolecuul. De onderzoekers ‘anticipate that further development of this strategy might result in efficient and selective catalytic processes that can use naturally abundant carbon feedstocks’.

Maar zover zijn ze nog niet. ‘De opstelling die ze gebruikten bestaat uit een piepkleine reactor van 10 ml’, zegt Morteza Hadian, een promovendus aan de TU Eindhoven die werkt aan een opschalingsproject bij ARC CBBC. ‘Het ziet er interessant uit, maar dit zijn slechts babystapjes. Er valt nog veel te leren over dit proces.’

Het eerste wat je moet doen om de Japanse opzet aan te passen voor industriële doeleinden is overschakelen naar een continu proces. ‘In het artikel gebruikten ze een batchproces met een magneetroerder en een stroom alkaangas onder druk’, legt Hadian uit. ‘In plaats daarvan hebben ze dus een ander type reactor nodig, misschien een systeem met bubbelstroom en een manier om continuïteit in het systeem te brengen van een van beide fasen, het liefst voor beide.’

De onderzoekers hebben het over een omzetgetal (turnover number) van 500 en een methanolselectiviteit van 83% in 3 uur. Ze zeggen dat het een van de hoogste cijfers is die ooit zijn gerapporteerd voor methaanoxidatie met behulp van een metaalcomplexkatalysator. Hadian is niet echt onder de indruk. ’Als je het op industriële schaal wilt produceren, wil je zo min mogelijk verspillen. De selectiviteit is goed, maar er is misschien nog ruimte voor verbetering; je hebt ook een hoge methaanconversie nodig. Het product moet zeer waardevol zijn als je deze lage hoeveelheden wilt inzetten.’

Maar het proces heeft zeker potentie. ‘Een organo-ijzerkatalysator zou heel interessant zijn voor de industriële schaal’, zegt Hadian. ’In de industrie worden terecht veel katalysatoren gemaakt met edele metalen, want die zijn superactief en kunnen maanden meegaan. Vaak weegt de hoge waarde van het product op tegen de kosten van deze katalysatoren. Maar je zou ze niet willen gebruiken voor het maken van eenvoudige alcoholen. Het zou dus veelbelovend zijn om methaan te kunnen oxideren met een goedkope en relatief gemakkelijk te produceren ijzerkatalysator.’

Fujisaki, H. et al. (2023) Nature, doi.org/10.1038/s41586-023-05821-2