Die katalytische oxidative Kupplung von Methan

Abstract Eine der großen Herausforderungen auf dem Gebiet der Heterogenkatalyse ist die Umwandlung von Methan in wertvollere Chemikalien und Brennstoffe. Von besonderer Bedeutung ist die Reaktion zu Ethylen, das durch oxidative Kupplung von Methan erhältlich ist. In dieser Reaktion wird Methan zunächst zu Ethan und danach zu Ethylen oxidiert. Das Reaktionssystem ist von Interesse, weil es sowohl einen heterogenen Teil, die Aktivierung von CH 4 an einer Metalloxid‐Oberfläche, als auch einen homogenen, Radikalreaktionen in der Gasphase, umfaßt. Ethan entsteht hauptsächlich aus ˙CH 3 ‐Radikalen, die an der Katalysatoroberfläche gebildet werden und in der Gasphase dimerisieren. Die Ausbeute an C 2 H 4 und C 2 H 6 wird durch Nebenreaktionen der ˙CH 3 ‐ Radikale mit der Oberfläche und durch die Weiteroxidation von C 2 H 4 sowohl an der Katalysatoroberfläche als auch in der Gasphase begrenzt. Zur Zeit kann mit den besten Katalysatoren bei einmaligem Durchgang durch den Reaktor ein Umsatz von 20% des Methans mit einer Selektivität von insgesamt 80% bezüglich der Produkte C 2 H 4 und C 2 H 6 erzielt werden. Über die aktiven Zentren weiß man weniger als über den Reaktionsmechanismus. doch scheinen bei einigen Katalysatoren reaktive Sauerstoff‐Ionen für die Aktivierung von Methan erforderlich zu sein; auf die Existenz von O − ‐ oder O   2 2−‐Ionen gibt es spektroskopische Hinweise. Außer der oxidativen Kupplung von Methan sind auch Kreuzkupplungsreaktionen, zum Beispiel zwischen Methan und Toluol zu Styrol, untersucht worden. Oft sind dabei die gleichen Katalysatoren wirksam, und wieder scheinen an der Oberfläche erzeugte Radikale beteiligt zu sein. Es gibt noch kein technisches Verfahren zur oxidativen Methankupplung, aber umfangreiche Forschungsarbeiten haben zumindest zu einem Verständnis der auftretenden Elementarreaktionen geführt.