Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Rohstoffe Ameisensäure und Wasserstoff aus dem Abfallprodukt Glycerin erzeugen lassen. Ameisensäure ist in der Industrie vielseitig einsetzbar und Wasserstoff kann beispielsweise als Energieträger für Fahrzeuge verwendet werden. Zudem hat die neue Methode den Vorteil, dass sie mit Strom betrieben wird und somit CO2-neutral angewendet werden kann.
„Der von uns entwickelte Ansatz kann einen wichtigen Beitrag zur Elektrifizierung der chemischen Industrie leisten, die die Unternehmen derzeit in großem Stil vorantreiben, um ihre CO2-Emissionen zu senken“, sagt Prof. Dr. Carsten Streb vom Department Chemie der JGU, der die Studie geleitet hat. „Prozesse, die bisher unter Einsatz großer Mengen Erdöl oder Erdgas durchgeführt werden müssen, könnten dann mit nachhaltigem Strom betrieben werden.“
CO2-neutrale Herstellung von Ameisensäure
Der Ansatz basiert auf der bekannten Wasserstoff-Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Bei der „hybriden Elektrolyse“ nutzen die Forschenden neben Wasser auch Glycerin als Ausgangsstoff, das unter anderem bei der Biodiesel-Produktion in großen Mengen anfällt. Anstelle von Sauerstoff entsteht dann als zweites Produkt Ameisensäure. Diese wird üblicherweise aus Erdöl hergestellt, was jedoch mit hohen CO2-Emissionen einhergeht. „Die elektrochemische Herstellung von Ameisensäure aus Glycerin ist dagegen CO2-neutral, wenn sie mit grünem Strom durchgeführt wird“, sagt Streb. Chemisch gesehen spalten die Forschenden bei der Elektrolyse das aus drei Kohlenstoffatomen bestehende Glycerin auf Ameisensäure mit nur einem Kohlenstoffatom herunter.
Für die neue Methode haben die Forschenden einen neuen Katalysator entwickelt. Dabei befinden sich die beiden Metalle Kupfer und Palladium auf atomarer Ebene in enger Nachbarschaft. „Wir haben den Katalysator nicht nur entwickelt, sondern haben auch bereits ein recht gutes Verständnis dafür, was das Material macht und wie man es optimieren könnte“, sagt Streb. Theoretische und experimentelle Erkenntnisse dazu steuerte ein kooperierendes Team der National Taiwan University of Science and Technology bei.
In weiteren Schritten wollen die Forschenden um Streb untersuchen, wie sich das teure Edelmetall Palladium im Katalysator durch günstigere Materialien ersetzen lässt. Auch die Methanol-Erzeugung steht auf der Agenda, denn der Bedarf an Methanol ist erheblich größer als der an Ameisensäure. Eventuell könnte sie durch die Hinzunahme eines zweiten reduktiven Elektrolyseprozesses ermöglicht werden.
Forschungen des Profilbereichs SusInnoScience
Die Forschungen an der JGU fanden im Profilbereich SusInnoScience (Sustainable chemistry as the key to innovation in resource-efficient science in the Anthropocene) statt, in dem nachhaltige chemische und biotechnologische Produktionsverfahren entwickelt werden. Gefördert wird dieses Spitzenforschungsgebiet der JGU durch die Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pfalz. Die Untersuchungen waren außerdem Teil der Aktivitäten „Nachhaltige Prozesse und Materialien“ der Rhein-Main-Universitäten (JGU, Goethe-Universität Frankfurt am Main und Technische Universität Darmstadt). Zu erwähnen ist auch, dass fünf durch die Alexander von Humboldt-Stiftung geförderte Post-Doktorandinnen und -Doktoranden beteiligt waren. „Es handelt sich um ein internationales Projekt, das stark davon profitiert, dass wir internationales Talent über die Humboldt-Stiftung zu uns holen konnten“, sagt Streb.
