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Katalysator zur CO2-Umwandlung Die Chemie für besseres Klima

Redakteur: Christian Lüttmann

In wenigen Jahrzehnten müssen die menschengemachten CO2-Emissionen auf Null sinken, um den Klimawandel noch zu stoppen. Hierbei werden Katalysatoren eine entscheidende Rolle spielen. Ein neuentwickelter Katalysator von der TU Wien ist vielversprechend, um CO2 direkt bei der Entstehung in Industrieanlagen aufzubrechen und für z. B. die Treibstoffproduktion nutzbar zu machen.

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Der neue Perowskit-Katalysator hilft, CO2 in andere Substanzen umzuwandeln.
Der neue Perowskit-Katalysator hilft, CO2 in andere Substanzen umzuwandeln.
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Wenn der CO2-Anteil der Atmosphäre nicht weiter steigen soll, muss das Kohlendioxid direkt an den Emissionsquellen abgefangen und in etwas anderes umgewandelt werden. Weil es sich bei CO2 allerdings um ein sehr stabiles Molekül handelt, kann das nur mithilfe spezieller Katalysatoren gelingen. Das Hauptproblem war bisher deren mangelnde Stabilität: Nach gewisser Zeit verlieren viele Materialien ihre katalytischen Eigenschaften und werden inaktiv.

Eine spezielle klasse von Mineralien könnte hier Abhilfe schaffen: Perowskite. Bisher ist diese Art von Mineral v. a. in Solarzellen im Einsatz sowie als Anodenmaterial oder in elektronischen Bauteilen. Nun gelang es Forschern der TU Wien, einen speziellen Perowskit herzustellen, der sich als Katalysator eignet, um CO2 in andere, nützliche Substanzen umzuwandeln – etwa in synthetische Treibstoffe. Der neue Perowskit-Katalysator ist stabil und relativ preiswert zu produzieren, sodass er sich industriell einsetzen lassen würde.

Kohlenstoffdioxid als Rohstoff nutzen

Die Wiener Forscher haben sich bei ihrer Arbeit auf die so genannte Wassergas-Shift-Reaktion konzentriert. „Dabei wird Kohlendioxid und Wasserstoff in Wasser und Kohlenmonoxid umgewandelt. Das Kohlenmonoxid kann man dann anschließend weiterverarbeiten, zum Beispiel zu Methanol, zu chemischen Grundstoffen oder auch zu Treibstoff“, erklärt Prof. Christoph Rameshan vom Institut für Materialchemie der TU Wien.

Diese Reaktion ist nicht neu, aber auf industriellem Maßstab zur CO2-Nutzbarmachung noch kaum umgesetzt. Sie läuft bei hohen Temperaturen ab, was dazu beiträgt, dass die nötigen Katalysatoren rasch kaputtgehen. Das ist besonders dann ein Problem, wenn teure Materialien im Spiel sind, etwa seltene Metall, die in vielen Katalysatoren genutzt werden.

Rameshan untersuchte mit seinem Team, wie man ein Material aus der Klasse der Perowskite speziell für die Wassergas-Shift-Reaktion maßschneidern kann – mit Erfolg. „Wir haben einiges ausprobiert und sind schließlich auf einen Perowskit aus Kobalt, Eisen, Calcium und Neodym gestoßen, der hervorragende Eigenschaften hat“, sagt der Forschungsleiter.

So funktioniert der neue Katalysator

Aufgrund der Kristallstruktur des Perowskits können bestimmte Atome durch ihn hindurchwandern. So dringen etwa während der Katalyse Kobalt-Atome aus dem Inneren des Materials an die Oberfläche und bilden dort winzige Nanopartikel, die chemisch besonders aktiv sind. Gleichzeitig entstehen so genannte Sauerstoff-Fehlstellen – Positionen im Kristallgitter, an denen eigentlich ein Sauerstoff-Atom sitzen sollte, die aber leer bleiben. Genau an diesen freien Stellen können CO2-Moleküle besonders gut andocken, um dann in Sauerstoff und Kohlenmonoxid zerlegt zu werden.

„Wir konnten zeigen, dass unser Perowskit deutlich stabiler ist als andere Katalysatoren“, sagt Rameshan. „Außerdem hat er den Vorteil, dass er regeneriert werden kann: Wenn seine katalytische Aktivität nach einer gewissen Zeit doch nachlässt, kann man ihn einfach mithilfe von Sauerstoff wieder in seinen ursprünglichen Zustand versetzen und weiterverwenden.“

Erste Abschätzungen zeigen, dass der Katalysator auch ökonomisch vielversprechend ist. „Er ist zwar teurer als andere Katalysatoren, aber nur um circa einen Faktor drei, und das bei deutlich besserer Haltbarkeit“, sagt Rameshan. „Wir möchten nun noch versuchen, das Element Neodym mit etwas anderem zu ersetzen, das könnte die Kosten noch weiter reduzieren.“

Ziel: CO2-neutrale Industrie

Theoretisch könnte man die Wassergas-Shift-Reaktion dazu verwenden, um CO2 aus der Atmosphäre zu holen – dafür müsste man das Kohlendioxid allerdings zunächst konzentrieren, und das ist nur mit beträchtlichem Energieaufwand möglich. Effizienter ist es daher, CO2 dort umzuwandeln, wo es in großer Menge entsteht, etwa in Industrieanlagen. „Man könnte bestehende Anlagen, die derzeit viel CO2 ausstoßen, einfach mit einem zusätzlichen Reaktor ergänzen, in dem das CO2 zunächst in CO umgewandelt und dann weiterverarbeitet wird“, erläutert Rameshan. Anstatt das Klima zu schädigen, würde eine solche Anlage dann zusätzlichen Nutzen generieren, indem sie aus den Abgasen Treibstoff oder Basischemikalien für die Industrie produziert.

Originalpublikation: L. Lindenthal et al.: Novel perovskite catalysts for CO2 utilization - Exsolution enhanced reverse water-gas shift activity, Applied Catalysis B: Environmental, 292, 120183 (2021); DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120183

(ID:47364325)