Eindelijk weten we welk stukje van een zeoliet de omzetting van methanol in langere koolstofketens in gang zet. Als Lewiszuur reagerend aluminium op een (110)-kristalfacet is de activator, schrijven Franse en Zwitserse onderzoekers in ACS Central Science.

Dat zogeheten ‘methanol to olefins’-proces, afgekort MTO, is zeer interessant voor grootschalige productie van etheen of propeen. Normaal maak je die moleculen door langere koolwaterstofketens uit aardolie te verknippen of ‘kraken’. Bij MTO rijg je losse koolstofmoleculen aan elkaar, wat veel handiger is wanneer je andere koolstofbronnen wilt gebruiken dan die aardolie - niet voor niets is het populair in China dat zelf nauwelijks oliebronnen heeft.

MTO is al in de jaren 70 ontdekt maar tot nu toe wist niemand precies hoe het werkt. Vooral de eerste stap, waarbij twee koolstofkernen uit methanol aan elkaar worden gekoppeld, stelde de wetenschap voor raadsels. De auteurs van de huidige publicatie hebben uit de literatuur meer dan twintig mogelijke mechanismes opgediept, met de meest bizarre intermediairen.

Uit een combinatie van computersimulaties en experimenten die ze volgden met NMR en infraroodspectrometrie, denken Aleix Comas-Vives (ETH Zürich) en Philippe Sautet (CNRS/Université de Lyon) nu te kunnen afleiden hoe het écht werkt. In plaats van methanol gebruikten ze het dimeer dimethylether (CH₃-O-CH₃), maar voor het principe schijnt dat niet uit te maken.

Zo’n zeoliet bestaat uit silicium, aluminium en zuurstof, en de actieve plekken zijn in dit geval aluminiumionen die als het ware door het kristaloppervlak heen steken, op een locatie waar geen silicium zit, en uiterst reactief zijn omdat drie of vier zuurstofkernen aan de achterkant van hun elektronenwolk trekken.

Als twee van die aluminiumkernen vlak naast elkaar liggen, kunnen ze samen een dimethylethermolecuul uit elkaar rukken. Er komt dan methaan (CH₄) vrij en één van de aluminiumkernen verandert in een oxoniumgroep: Al-O=CH₂. En dat oxoniumion kan dan weer met het eerder gevormde methaan reageren, waarbij er geen zuurstof meer tussen komt te zitten en je etheen (CH₂=CH₂) overhoudt. Dat kan dan weer verder reageren tot langere koolstofketens.

Bij de eerder voorgestelde mechanismes ging men er vaak van uit dat er verontreinigingen in de methanol moesten zitten om het proces op gang te brengen. Bijvoorbeeld cyclische carbeniumionen. Maar dit onderzoek suggereert dat de zeoliet het zonder hulp af kan en dat die carbeniumionen pas veel later in het proces worden gevormd, waarbij ándere delen van de zeoliet als katalysator optreden.

bron: ACS Central Science, ETH Zürich