Innovative Methode zur CO2-Verwertung
Eine Studie der Universitäten Bonn und Montreal hat einen Katalysator entwickelt, der Kohlendioxid (CO2) und Wasser mithilfe von Strom in Methan umwandelt.
Der Katalysator ermöglicht die Umwandlung von CO2 in Methan mit einer Effizienz von über 80 %. Prof. Dr. Nikolay Kornienko vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn erläutert: „Wir nutzen als treibende Kraft Elektrizität.“ Wenn wir klimafreundlich erzeugten Strom verwenden, können wir auf diesem Wege Methan herstellen, das potenziell weniger zur Erderwärmung beiträgt.“
Diese Methode könnte einen Beitrag gegen den Klimawandel und für den Ausbau der Kreislaufwirtschaft leisten, indem sie CO2 – ein Treibhausgas – in einen nutzbaren Energieträger umwandelt. Methan lässt sich zum Beispiel zum Heizen oder als Rohstoff in der chemischen Industrie einsetzen.
Innovativer Katalysator // Die H2O-Moleküle werden im oberen Teil des Elektrolyseurs vom aktiven Zentrum ferngehalten. Gleichzeitig werden Wasserstoffatome von den Wassermolekülen abgespalten und zum aktiven Zentrum transportiert. Dort reagieren sie mit dem Kohlenstoffatom, um Methan zu bilden. // Grafik: Nikolay Kornienko
Die Technologie:
Die Forschenden setzten bei ihrer Arbeit auf eine Gasdiffusions-Elektrode, um die Reaktion zwischen dem gasförmigen CO2 und dem flüssigen Wasser zu ermöglichen. Der eigentliche Clou liegt jedoch im Design des Katalysators: Lange, wasserabweisende Molekülketten am aktiven Zentrum halten einerseits die Wassermoleküle fern, transportieren aber gleichzeitig die benötigten Wasserstoffatome zur Reaktionsstelle. Dieser ausgeklügelte Mechanismus erlaubt es, die gewünschte Reaktion zu begünstigen und unerwünschte Nebenreaktionen zu minimieren.
Die Entwicklung dieses Katalysators stellte das Forschungsteam vor einige Herausforderungen. Die Reaktion eines Gases mit einer Flüssigkeit ist an sich schon komplex. Hinzu kommt die Notwendigkeit, unerwünschte Nebenreaktionen zu verhindern und gleichzeitig eine effiziente Zuführung von Wasserstoffatomen zu gewährleisten. Morgan McKee ein Mitarbeiter des Projekts, beschreibt die Herausforderung folgendermaßen: „Wir müssen verhindern, dass Wasser in Kontakt zur Elektrode gerät. Gleichzeitig benötigen wir es aber als Reaktionspartner.“
Die Lösung dieser Probleme durch den innovativen Katalysatoraufbau sei ein wesentlicher Durchbruch dieser Forschungsarbeit.
Innovative Aspekte der Forschung
Der von den Wissenschaftlern entwickelte Katalysator weist mehrere neuartige Eigenschaften auf, die ihn von bisherigen Ansätzen unterscheiden. Eine der Hauptinnovationen ist die Verwendung langer, wasserabweisender Molekülketten am aktiven Zentrum des Katalysators. Diese Ketten erfüllen eine doppelte Funktion: Sie halten Wassermoleküle vom aktiven Zentrum und der Elektrode fern, was unerwünschte Nebenreaktionen verhindert, und dienen gleichzeitig als eine Art molekulares Förderband, das Wasserstoffatome zum Reaktionszentrum transportiert.
Die Nutzung der Gasdiffusions-Elektrode ermöglicht es, ein Gas (CO2) mit einer Flüssigkeit (H2O) effizient reagieren zu lassen – eine Herausforderung, die bisher schwer zu bewältigen war. Der Umwandlungsprozess von CO2 zu CH4 erfolgt in mehreren kontrollierten Schritten, was zu der hohen Effizienz von über 80 % beiträgt. Ein weiterer innovativer Aspekt ist die Flexibilität des Konzepts: Obwohl der spezifische Katalysator nicht für die Großproduktion geeignet ist, lassen sich die grundlegenden Prinzipien auf andere Materialien und Reaktionen übertragen. Dies eröffnet Möglichkeiten für die Herstellung verschiedener chemischer Verbindungen, nicht nur Methan.
Schließlich ist der Prozess darauf ausgelegt, mit elektrischem Strom zu arbeiten, was die Nutzung erneuerbarer Energiequellen ermöglicht und so zur Nachhaltigkeit beiträgt. Diese Innovationen zusammen bilden einen vielversprechenden Ansatz für die effiziente Umwandlung von CO2 in nützliche Produkte, was sowohl für die Kreislaufwirtschaft als auch für Klimaschutzbemühungen von Bedeutung sein könnte.
Es bleibt abzuwarten, ob sich diese Technologie in der Praxis bewährt und welchen konkreten Beitrag sie zur Kreislaufwirtschaft leisten kann. Weitere Forschung und Entwicklung werden notwendig sein, um das volle Potenzial dieser Methode zu erschließen.
Studie und Zusammenarbeit
An der Studie waren Universitäten aus Deutschland, Kanada, Wales, Finnland und Frankreich beteiligt. Die Forschung wurde durch verschiedene internationale Programme gefördert, darunter das Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada und das Erasmus+-Programm der EU.