Met nu en dan een zuurstofinjectie hou je de katalytische omzetting van methaan in benzeen veel langer vol. Wellicht wordt het zo zelfs commercieel aantrekkelijk, suggereren Eindhovense en Delftse onderzoekers in Angewandte Chemie.

Die benzeensynthese is een van de voor de hand liggende manieren om aardgas vloeibaar te maken, zodat je het goedkoper kunt vervoeren. Een combinatie van molybdeencarbide (Mo2C) en een ZSM-5 zeoliet is geschikt als katalysator: molybdeen activeert methaan en de poriestructuur van de zeoliet zorgt dat benzeen het overheersende reactieproduct is. Qua optimale temperatuur moet je denken aan zo’n 700 ºC.

Zonder die zeoliet krijg je veel grotere aromatische moleculen, omdat dat thermodynamisch de voorkeur heeft. De vakterm is ‘coke’, net zoiets als roet. Probleem is alleen dat je mét zeoliet nog steeds coke krijgt naast je benzeen. Binnen korte tijd verstopt dat je poriën.

Elders binnen de petrochemie brandt men die coke periodiek weg door eventjes zuurstof toe te voeren. Maar in dit geval moet je daarvoor eerst de reactor laten afkoelen tot 500 ºC: als je het bij 700 ºC probeert wordt je molybdeencarbide geoxideerd tot molybdeenoxides die vervolgens gaan reageren met aluminium in de zeolietstructuur: einde katalysator. En telkens moeten wisselen tussen 500 en 700 ºC is energetisch onaantrekkelijk genoeg om het hele proces kansloos te maken.

Emiel Hensen, Freek Kapteijn en collega’s hebben nu ontdekt dat je dit kunt ondervangen door regelmatig een korte zuurstofpuls toe te voegen aan het methaan. Denk aan een puls van een minuut, met tussenpozen van twaalf minuten.

Ook dan wordt Mo2C omgezet in MoO3, waarbij de koolstof eindigt als CO. Die MoO3 katalyseert vervolgens de gedeeltelijke oxidatie van de coke tot nog meer CO, waaraan de rest van de zuurstofpuls opgaat. De kunst is precies voldoende zuurstof toe te dienen om de coke te verbranden die is gevormd sinds de vorige zuurstofpuls; zo voorkom je dat er bij gebrek aan iets anders ook methaan wordt verbrand. Bovendien krijgt MoO3 zo niet de kans voor een reactie met aluminium uit de zeoliet.

Dát het zo werkt, hebben ze in Eindhoven kunnen aantonen door methaan te gebruiken waarin de gebruikelijke 12C was vervangen door de isotoop 13C.

Als de zuurstof op is, reageert MoO3 met methaan en wordt zo weer omgezet in Mo2C. Bijproduct is waterstof, dat je ook inderdaad kunt detecteren bij de uitlaat van de reactor.

Voorlopig is het alleen geprobeerd op laboratoriumschaal; Hensen hoopt dat het proces zich laat opschalen maar garanderen kan hij het niet. Petrochemiebedrijf Sabic, dat binnen het CatC1Chem-programma met de universiteiten samenwerkt, heeft toch maar vast octrooi aangevraagd.

bron: TU Eindhoven