Neuer Katalysator zerlegt CO2 schneller, billiger und effizienter

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Wissenschaftler der Stanford University entwickelten neues Verfahren

Stellen Sie sich vor, Sie entziehen Autoabgasen und anderen Quellen Kohlendioxid und verwandeln dieses Haupttreibhausgas in Kraftstoffe wie Erdgas oder Propangas: Ein Nachhaltigkeitstraum würde wahr, so Medienmitteilungen aus Connecticut und Kalifornien: Forscher der Stanford University haben einen neuen Katalysator entwickelt, der CO2 leichter, billiger und effektiver als bisher in wertvolle Produkte wie Treibstoffe umwandelt. Mehrere jüngere Studien haben einige Erfolge bei dieser Umwandlung gezeigt, aber der neuartige Ansatz der Stanford-Ingenieure liefert viermal mehr Äthan, Propan und Butan als herkömmliche Methoden, die ähnliche Prozesse verwenden. Obwohl es sich nicht um ein Klima-Allheilmittel handelt, könnte der Fortschritt die kurzfristigen Auswirkungen auf die globale Erwärmung deutlich reduzieren.

Erdgas-Herdflamme – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

„Man kann sich einen klimaneutralen Kreislauf vorstellen, der Kraftstoff aus Kohlendioxid erzeugt und dann verbrennt und neues Kohlendioxid erzeugt, das dann wieder in Kraftstoff umgewandelt wird“, sagt Matteo Cargnello, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University of Stanford, der die Forschung leitete, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde.

Obwohl es sich bei dem Verfahren immer noch um einen laborbasierten Prototypen handelt, erwarten die Forscher, dass er ausreichend skaliert werden kann, um nutzbare Mengen an Kraftstoff zu produzieren. Bis der Durchschnittsverbraucher jedoch in der Lage sein wird, Produkte auf der Grundlage solcher Technologien zu kaufen, bleibt noch viel Arbeit. Nächste Schritte sind der Versuch, schädliche Nebenprodukte aus diesen Reaktionen, wie beispielsweise den giftigen Schadstoff Kohlenmonoxid, zu reduzieren. Die Gruppe entwickelt auch Wege, um andere nützliche Produkte herzustellen, nicht nur Kraftstoffe. Ein solches Produkt sind Olefine, die in einer Reihe von industriellen Anwendungen eingesetzt werden können und die Hauptbestandteile von Kunststoffen sind.

Zwei Schritte in einem

Bisherige Bemühungen zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff erfolgten in zwei Schritten. Der erste Schritt reduziert CO2 zu Kohlenmonoxid, dann kombiniert der zweite das CO mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen. Der einfachste dieser Kraftstoffe ist Methan, aber andere Kraftstoffe, die produziert werden können, sind Äthan, Propan und Butan. Äthan ist ein enger Verwandter von Erdgas und kann industriell zur Herstellung von Ethylen, einem Vorläufer von Kunststoffen, verwendet werden. Propan wird häufig zum Heizen von Häusern und zum Heizen von Gasgrills verwendet. Butan ist ein gängiger Brennstoff in Feuerzeugen und Lageröfen.

Cargnello dachte, dass es viel effizienter wäre, beide Schritte in einer einzigen Reaktion zu realisieren, und machte sich daran, einen neuen Katalysator zu entwickeln, der gleichzeitig ein Sauerstoffmolekül von CO2 entfernen und mit Wasserstoff kombinieren könnte. Dem Team gelang es, Ruthenium- und Eisenoxid-Nanopartikel in einem Katalysator zu kombinieren. „Dieses Rutheniumkorn sitzt im Kern und ist in einer äußeren Hülle aus Eisen eingeschlossen“, sagt Aisulu Aitbekova, Doktorandin in Cargnellos Labor und Hauptautorin der Arbeit. „Diese Struktur aktiviert die Kohlenwasserstoffbildung aus CO2. Es verbessert den Prozess von Anfang bis Ende.“

Ursprünglich wollte das Team diese Kern-Schalen-Struktur gar nicht erstellen, sondern entdeckte sie in Zusammenarbeit mit Simon Bare, einem angesehenen Wissenschaftler und anderen Mitarbeitern des SLAC National Accelerator Laboratory. Die ausgeklügelten Röntgencharakterisierungstechnologien von SLAC halfen den Forschern, die Struktur ihres neuen Katalysators zu visualisieren und zu untersuchen. Ohne diese Zusammenarbeit hätte Cargnello nicht die optimale Struktur gefunden. „Damals begannen wir, dieses Material direkt in einer Kern-Schale-Konfiguration zu entwickeln. Dann haben wir gezeigt, dass sich die Kohlenwasserstofferträge, sobald wir das getan haben, enorm verbessern“, sagte Cargnello. „Es geht um die Struktur, die den Reaktionen hilft.“ Er glaubt, dass die beiden Katalysatoren in der Art und Weise von Wechselmannschaften die Synthese verbessern. Er vermutet, dass das Ruthenium Wasserstoff chemisch bereit macht, sich mit dem Kohlenstoff aus CO2 zu verbinden. Der Wasserstoff gelangt dann auf die Eisenhülle, wodurch das Kohlendioxid reaktiver wird.

Als die Gruppe ihren Katalysator im Labor testete, fand sie heraus, dass die Ausbeute für Kraftstoffe wie Äthan, Propan und Butan viel höher war als bei ihrem vorherigen Katalysator. Die Gruppe steht jedoch noch vor einigen Herausforderungen. Sie möchten den Einsatz von Edelmetallen wie Ruthenium reduzieren und den Katalysator so optimieren, dass er selektiv nur bestimmte Kraftstoffe herstellen kann.

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