Die Energiewende braucht nicht nur neue Quellen, sondern auch effiziente Speicher- und Transportlösungen. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun einen neuartigen Katalysator entwickelt, der Kohlendioxid (CO2) – eines der wichtigsten Treibhausgase – in Methan umwandeln kann. Das Gas dient als vielseitiger Energieträger und lässt sich direkt in bestehende Erdgasnetze einspeisen. Der neue Katalysator arbeitet günstig, langlebig und übertrifft industrielle Materialien in seiner Leistung. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden jetzt im Fachjournal „ChemSusChem“, das über Chemie im Kontext der Nachhaltigkeit berichtet.
Power-to-Gas: CO2 in Methan speichern
Das zugrunde liegende Power-to-Gas-Konzept (PtG) speichert erneuerbare Energie in chemischer Form. Forschende erzeugen damit Wasserstoff aus Strom und reagieren ihn mit CO2 zu Methan. „Unter realen Bedingungen schwankt dabei die Reaktionszusammensetzung durch wechselnde Stromzufuhr aus Wind- und Solarenergie. Daher brauchen wir Katalysatoren, die auch unter variablen Bedingungen zuverlässig arbeiten“, sagt Professor Malte Behrens vom Institut für Anorganische Chemie der CAU, der das Kieler Teilprojekt im DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2080 leitet.
Das interdisziplinäre Projekt verbindet Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. Typisch für den Forschungsschwerpunkt „Kiel Nano, Surface and Interface Science“ (KiNSIS) an der CAU untersuchen die Forschenden Materialien von der atomaren Struktur bis zur technischen Anwendung und entwickeln sie gezielt weiter.
Nanostruktur sorgt für Effizienz
Das Kieler Team übertrug ein bewährtes Prinzip auf den neuen Katalysator: Sie kombinierten die Elemente Nickel und Magnesium gezielt auf atomarer Ebene. Die gemeinsame Kristallisation bildet eine feste Lösung. Erst kurz vor der eigentlichen Reaktion im Reaktor entmischt sich diese Verbindung, und winzige Nickelpartikel entstehen. Das Magnesiumoxid stabilisiert die Partikel und sorgt dafür, dass CO2 besonders effektiv adsorbiert wird.
„Diese nanoskalige Struktur ist entscheidend“, sagt Doktorandin Anna Wolf, Erstautorin der Studie. „Die Nickelpartikel bleiben gleichmäßig verteilt, und das Magnesiumoxid unterstützt die Methanproduktion erheblich.“
Das Ergebnis: Schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 260 °C wandelt der Katalysator große Mengen CO2 in Methan um. In praktischen Zahlen bedeutet das: Nur ein Kilogramm des Materials kann in knapp einer Woche genügend Methan produzieren, um ein Einfamilienhaus ein Jahr lang zu beheizen.
Vom Labor zur industriellen Anwendung
Das Team führt den Erfolg auf eine sorgfältige Optimierung aller Syntheseschritte zurück. „Am Anfang stand die Idee, ein bewährtes Konzept auf ein neues Materialsystem zu übertragen“, sagt Behrens. „Dass unser Katalysator nun industriell eingesetzte Materialien übertrifft, zeigt die Bedeutung systematischer Grundlagenforschung.“
Die Forschenden übertragen die Laborergebnisse auf den industriellen Maßstab und testen den Katalysator unter realen PtG-Bedingungen gemeinsam mit Kooperationspartnern an der Universität Hamburg. Das Schwerpunktprogramm SPP2080 „Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) seit 2018 gefördert und vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert. In zwölf Teilprojekten arbeiten hier Forschende aus ganz Deutschland eng zusammen.
