Besserer Katalysator zur CO2-Methanisierung Forscher verwandeln Treibhausgas in Energieträger

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Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein in der Energiewende. Aus Solarstrom erzeugt, stellt er ein Speichermedium für „grünen Strom“ dar. Einfacher und sicherer zu händeln ist aber Methangas – auch weil Infrastruktur dafür bereits verbreitet ist. Forscher aus Kiel haben nun einen neuen Katalysator entwickelt, der CO₂ mit Wasserstoff in Methan umwandelt – und das besser als der Industriestandard.

Die Energiewende braucht nicht nur neue Quellen, sondern auch effiziente Speicher- und Transportlösungen. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun einen neuen Katalysator entwickelt, der Kohlendioxid in Methan umwandeln kann.

Das Treibhausgas dient als vielseitiger Energieträger und lässt sich direkt in bestehende Erdgasnetze einspeisen. Der neue Katalysator arbeitet günstig, langlebig und übertrifft laut Angabe der Forschenden industrielle Materialien in seiner Leistung.

Power-to-Gas: CO₂ in Methan speichern

Die Idee, CO₂ als Energieträger zu nutzen, ist nicht neu. Sie setzt auf das Power-to-Gas-Konzept (PtG), bei dem erneuerbare Energie in chemischer Form gespeichert wird. Forschende erzeugen damit Wasserstoff aus Strom und lassen ihn mit CO₂ zu Methan reagieren. „Unter realen Bedingungen schwankt dabei die Reaktionszusammensetzung durch wechselnde Stromzufuhr aus Wind- und Solarenergie“, sagt Professor Malte Behrens vom Institut für Anorganische Chemie der CAU. „Daher brauchen wir Katalysatoren, die auch unter variablen Bedingungen zuverlässig arbeiten.“

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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.

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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.

Originalpublikation: Anna Wolf, Malte Behrens: A Novel Coprecipitation Path to a High-Performing Ni/MgO Catalyst for Carbon Dioxide Methanation, ChemSusChem (2025), DOI:10.1002/cssc.202502052

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