Op een koperhoudende zeoliet kun je methaan en water omzetten in methanol en waterstof. Zonder dat je andere reagentia nodig hebt, claimen Jeroen van Bokhoven en collega’s van het Zwitserse Paul Scherrer-instituut in Science.

Ze noemen het anaerobe oxidatie. Aan pogingen om methaan rechtstreeks te oxideren kwam tot nu toe moleculaire zuurstof te pas of sterke oxidanten zoals waterstofperoxide. Maar hier dient water als zuurstofbron, waarvan je eigenlijk verwacht dat het als oxidant veel te zwak is.

Als zeoliet dient een commercieel verkrijgbaar natriummordeniet, waarin je de natriumionen deels door koper vervangt. Je activeert hem bij 673 K onder helium, waarna je hem tot 473 K afkoelt en gedurende een half uur blootstelt aan methaan bij een druk van 7 bar. Vervolgens pomp je een mix van helium en waterdamp door de reactor, bij 1 bar, en verhoogt de temperatuur geleidelijk weer naar 673 K. Op een gegeven moment zie je dan eerst waterstof ontstaan en vervolgens methanol desorberen. Beide producten komen met de gasstroom mee, de reactor uit. De zeoliet is dan meteen weer klaar voor een volgende cyclus.

Genoemde temperaturen en drukken zijn voor procestechnische begrippen zeer bescheiden en Van Bokhoven verwacht dan ook dat het proces op relatief kleine schaal rendabel is te krijgen. Wellicht kun je het gebruiken om methaan vloeibaar te maken, dat vrijkomt bij oliewinning op afgelegen plaatsen en nu nog wordt afgefakkeld omdat het niet vervoerbaar is.

Een combinatie van metingen en computerberekeningen geeft een beeld van wat er vermoedelijk in de zeoliet gebeurt. Het methaan staat in eerste instantie een H⁺ af aan de zeolietstructuur, waarna het restant blijft hangen aan een zuurstofion dat tussen twee Cu²⁺-ionen in hangt. Voor elk van die twee komt hierbij een extra elektron beschikbaar, zodat ze worden gereduceerd tot Cu⁺.

Als vervolgens het water arriveert, regenereert het in feite de zeoliet. De zuurstof neemt de plaats in van het eerder genoemde exemplaar waar CH₃ aan hangt. Dat komt los, pikt de verderop geparkeerde H⁺ weer in en gaat als methanol de zeoliet uit. Intussen wordt Cu⁺ weer omgezet in Cu²⁺, waarbij de vrijkomende elektronen dienen om H⁺ uit het water om te zetten in H₂.

Als je water gebruikt dat is gelabeld met zuurstof-18 kun je het goed zien: bij de eerste cyclus zit er nauwelijks ¹⁸O in de gevormde methanol, bij de volgende cycli juist wel.

Hoelang dit goed blijft gaan moet nog worden onderzocht. Maar de eerste drie cycli leverden telkens 0,204 mol methanol op voor elke mol koper die in de zeoliet was verwerkt, bij een selectiviteit van 97 procent.

bron: Science