Entsorgung des Treibhausgases Katalysator auf Zuckerbasis verwertet Kohlendioxid

In einer neuen Studie der Northwestern University hat ein Katalysator Kohlendioxid (CO₂) erfolgreich in Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt, einen wichtigen Baustein zur Herstellung einer Vielzahl nützlicher Chemikalien. Der Katalysator wandelt CO₂ selektiv um und ist so stabil, dass er 500 Stunden lang hält, ohne sich zu zersetzen.

Lösung zur Entsorgung des starken Treibhausgase

Wenn die Reaktion in Gegenwart von Wasserstoff stattfindet, verwandeln sich CO₂ und Wasserstoff in Synthesegas (oder Syngas), eine äußerst wertvolle Vorstufe zur Herstellung von Kraftstoffen, die möglicherweise Benzin ersetzen können. Mit den jüngsten Fortschritten bei den Technologien zur Kohlenstoffabscheidung wird diese nach der Verbrennung zu einer plausiblen Option, um einen Beitrag zur Bewältigung der globalen Klimakrise zu leisten.

Die Frage, wie mit dem abgeschiedenen Kohlenstoff umgegangen werden soll, ist jedoch noch offen. Der neue Katalysator könnte eine Lösung für die Entsorgung des starken Treibhausgases bieten, indem er es in ein wertvolleres Produkt umwandelt.

„Selbst wenn wir jetzt aufhören würden, CO₂ auszustoßen, würde unsere Atmosphäre immer noch einen CO₂-Überschuss aufweisen, der aus den industriellen Aktivitäten der vergangenen Jahrhunderte resultiert“, sagte Milad Khoshooei von der Northwestern University, der die Studie mitleitete.

„Es gibt keine einzige Lösung für dieses Problem. Wir müssen die CO₂-Emissionen reduzieren und neue Wege finden, um die CO₂-Konzentration, die sich bereits in der Atmosphäre befindet, zu verringern. Wir sollten alle möglichen Lösungen ausschöpfen.“

Lösungen aus der Speisekammer

„Wir sind nicht die erste Forschungsgruppe, die CO₂ in ein anderes Produkt umwandelt“, sagte Omar K. Farha von Northwestern University, der Hauptautor der Studie. „Damit das Verfahren jedoch wirklich praktikabel ist, braucht es einen Katalysator, der mehrere entscheidende Kriterien erfüllt: Erschwinglichkeit, Stabilität, einfache Produktion und Skalierbarkeit. Die Ausgewogenheit dieser vier Elemente ist entscheidend. Glücklicherweise erfüllt unser Material diese Anforderungen in hervorragender Weise.“

Das Geheimnis des neuen Katalysators ist Molybdänkarbid, ein extrem hartes Keramikmaterial. Im Gegensatz zu vielen anderen Katalysatoren, die teure Metalle wie Platin oder Palladium benötigen, ist Molybdän ein preiswertes, unedles und auf der Erde reichlich vorhandenes Metall.

Um Molybdän in Molybdäncarbid umzuwandeln, benötigten die Wissenschaftler eine Kohlenstoffquelle. Sie entdeckten eine billige Möglichkeit an einem unerwarteten Ort: in der Speisekammer. Überraschenderweise diente Zucker - die weiße, granulierte Sorte, die in fast jedem Haushalt zu finden ist - als preiswerte, bequeme Quelle für Kohlenstoffatome.

„Jeden Tag, an dem ich versuchte, diese Materialien zu synthetisieren, brachte ich Zucker von zu Hause mit ins Labor“, sagte Khoshooei. „Im Vergleich zu anderen Materialklassen, die üblicherweise für Katalysatoren verwendet werden, ist unserer unglaublich preiswert.“

Erfolgreich selektiv und stabil

Beim Testen des Katalysators waren Farha, Khoshooei und ihre Mitarbeiter von seinem Erfolg beeindruckt. Bei Umgebungsdruck und hohen Temperaturen (300 bis 600 °C) wandelte der Katalysator CO₂ mit 100 prozentiger Selektivität in CO um.

Hohe Selektivität bedeutet, dass der Katalysator nur auf das CO₂ einwirkt, ohne die umgebenden Materialien zu beeinträchtigen. Mit anderen Worten: Die Industrie konnte den Katalysator auf große Mengen abgeschiedener Gase anwenden und nur das CO₂ selektiv behandeln. Der Katalysator blieb auch im Laufe der Zeit stabil, das heißt er blieb aktiv und wurde nicht abgebaut.

„In der Chemie ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Katalysator nach ein paar Stunden seine Selektivität verliert“, so Farha. „Aber nach 500 Stunden unter harten Bedingungen hat sich seine Selektivität nicht verändert. Dies ist besonders bemerkenswert, weil CO₂ ein stabiles - und widerspenstiges - Molekül ist. „Die Umwandlung von CO₂ ist nicht einfach“, sagte Khoshooei.

Tandem-Ansatz zur Kohlenstoffsanierung

Weiter meint Khoshooei: „CO₂ ist ein chemisch stabiles Molekül, und wir mussten diese Stabilität überwinden, was viel Energie erfordert.“ Die Entwicklung von Materialien für die Kohlenstoffabscheidung ist ein wichtiger Schwerpunkt von Farhas Labor. Seine Gruppe entwickelt metallorganische Gerüste (MOFs), eine Klasse hochporöser, nanogroßer Materialien, die Farha mit hochentwickelten und programmierbaren Badeschwämmen vergleicht.

Farha erforscht MOFs für verschiedene Anwendungen, unter anderem für die Gewinnung von CO₂ direkt aus der Luft. MOFs und der neue Katalysator könnten zusammenarbeiten, um eine Rolle bei der Abscheidung und Sequestrierung von Kohlenstoff zu spielen.

„Irgendwann könnten wir ein MOF einsetzen, um CO₂ abzuscheiden, gefolgt von einem Katalysator, der es in etwas Nützlicheres umwandelt“, schlägt Farha vor. „Ein Tandemsystem, das zwei unterschiedliche Materialien für zwei aufeinander folgende Schritte verwendet, könnte der Weg in die Zukunft sein.“

„Dies könnte uns helfen, die Frage zu beantworten: 'Was machen wir mit dem abgeschiedenen CO₂?'“ fügte Khoshooei hinzu. „Im Moment ist der Plan, es unterirdisch zu lagern. Unterirdische Lagerstätten müssen jedoch viele Anforderungen erfüllen, um CO₂ sicher und dauerhaft zu speichern. Wir wollten eine universellere Lösung entwickeln, die überall eingesetzt werden kann und gleichzeitig einen wirtschaftlichen Mehrwert bietet.“