Neuer Einzelatom-Katalysator Jedes Atom zählt: Methanol-Synthese mit isolierten Indium-Atomen

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Es kann ein grüner Weg zur Treibstoffproduktion und Synthese zahlreicher Industriechemikalien sein: Methanol, welches katalytisch aus CO2 und Wasserstoff hergestellt wird. Für diese Synthese haben ETH Forscher nun einen neuen Katalysator entwickelt, bei dem jedes Metallatom als aktives Reaktionszentrum mitwirkt – Effizienz at its best.

Vor jeder chemischen Reaktion steht eine Hürde: Damit Stoffe miteinander reagieren können, muss zunächst Energie zugeführt werden. Oft ist diese Energiehürde klein, etwa beim Anzünden eines Streichholzes. Bei vielen für die Industrie wichtigen Reaktionen ist sie allerdings groß, und ein gesteigerter Energiebedarf treibt die Herstellungskosten in die Höhe. Um diese Hürde zu verringern, kommen Katalysatoren zum Einsatz. Die besten dieser Reaktionshelfer enthalten Metalle, darunter solche, die rar sind.

Chemiker der ETH Zürich haben nach eigenen Angaben nun einen Durchbruch in der Katalysatorforschung auf mehreren Ebenen erreicht:

• Sie entwickelten einen Katalysator, der die Energiehürde bei der Herstellung von Methanol aus dem Treibhausgas CO₂ und Wasserstoff deutlich senkt.

• Die Forschenden verwenden in ihrem Katalysator das Metall Indium besonders effizient, da jedes einzelne Indium-Atom als reaktionsaktive Stelle fungiert.

• Der neu entwickelte Katalysator ermöglicht eine präzisere Untersuchung der Mechanismen, die auf ihm ablaufen. Das ebnet den Weg zu einem rationalen Katalysator-Design.

Universeller Ausgangsstoff für die Chemieindustrie

„Methanol ist ein universeller Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedenster Chemikalien und Materialien, etwa Kunststoffe – sozusagen das Schweizer Taschenmesser der Chemie“, sagt Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalysatoren-Engineering an der ETH Zürich. Die Flüssigkeit ist deshalb zentral für die Umstellung auf eine nachhaltige und fossilfreie Herstellung von chemischen Produkten und Treibstoffen.

Wird die Energie für die Produktion des Wasserstoffs und die Katalyse nachhaltig erzeugt, lässt sich Methanol klimaneutral herstellen. Das eröffnet einen Weg, CO₂ aus der Atmosphäre als Rohstoff zu verwenden, statt es wie heute freizusetzen.

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Einzelne Atome statt Metallpartikel

„Unser neuer Katalysator hat so genannte Einzelatom-Architektur, bei der isolierte aktive Metallatome auf der Oberfläche eines gezielt entwickelten Trägermaterials verankert sind“, erklärt Pérez-Ramírez. Im Gegensatz dazu liegen Metalle in konventionellen Katalysatoren meist als Aggregate vor, oft als kleine Partikel. Diese sind zwar winzig, enthalten aber oft Hunderte bis mehrere Tausend Metallatome.

Einzelatom-Katalysatoren sind aktuell ein Top-Thema in der Katalysatorforschung. Sie stellen das Optimum in Sachen Nutzungseffizienz von teuren und seltenen chemischen Elementen dar. Nutzt man einzelne Metallatome für die Katalyse, kann selbst der Einsatz von teuren Edelmetallen wirtschaftlich rentabel werden.

Wenn die Atome isoliert wirken können, verändern sich zudem häufig ihre katalytischen Eigenschaften. „Indium wird in diesem Katalysator bereits seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt“, sagt Pérez-Ramírez. „In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indium-Atome auf Hafniumoxid die CO₂-basierte Methanol-Synthese deutlich effizienter ermöglichen als Indium in Form von Nanopartikeln aus vielen Atomen.“

Das Herstellungsverfahren des neuen Katalysators

Um einzelne Indium-Atome gezielt auf der Hafniumoxid-Oberfläche zu verankern, entwickelte das interdisziplinäre ETH-Team zusammen mit Kollegen anderer Forschungseinrichtungen verschiedene Synthesewege. Entscheidend war dabei die spezifische Struktur des Trägermaterials, die den Atomen eine stabile und zugleich reaktive Umgebung bietet.

In einem getesteten Herstellungsverfahren werden die Ausgangsstoffe in einer Flamme bei 2.000 bis 3.000 °C verbrannt und anschließend rasch abgekühlt. Unter diesen Bedingungen bleibt das Indium bevorzugt an der Oberfläche und wird dort stabil eingebunden.

Mit dem Einbau der Katalysatoratome in einen hitzebeständigen Hafniumoxid-Träger zeigen die ETH-Chemiker, dass Einzelatom-Katalysatoren selbst unter extremen Bedingungen stabil bleiben können. Damit rücken auch Reaktionen in Reichweite, die hohe Temperaturen und Drücke erfordern. Für die Synthese von Methanol aus CO₂ und Wasserstoffgas sind beispielsweise Temperaturen von bis zu 300 °C nötig und ein Druck von dem bis zu 50-fachen des normalen Luftdrucks.

Klare Analytik statt Katalyse-Blackbox

Bisherige Nanopartikel waren für analytische Untersuchungen eine Blackbox. Während die Katalysevorgänge nur an den wenigen Atomen auf der Oberfläche abliefen, stammten viele Messsignale aus dem Inneren der Partikel – von Atomen, die an der Reaktion gar nicht beteiligt waren. Das erschwerte die Interpretation. In Katalysatoren mit isolierten Atomen lassen sich die Reaktionsmechanismen mit viel weniger störenden Signalen analysieren.

Pérez-Ramírez forscht seit 2010 an besseren Katalysatoren für die Methanol-Herstellung aus Kohlendioxid. Er arbeitet dabei auch eng mit der Industrie zusammen und hält mehrere Patente auf dem Gebiet. Entscheidend für die Entwicklung der neuen Einzelatom-Katalysator-Methode war das Netzwerk, das in der Schweiz in Sachen Katalysatorforschung in den letzten Jahren entstanden ist, erklärt Pérez-Ramírez: „Die Entwicklung des Methanol-Katalysators und die detaillierte Analyse des Mechanismus wäre ohne dieses interdisziplinäre Knowhow nicht möglich gewesen.“

Originalpublikation: Chiang YT, Ritopecki M, Willi PO, Raue K, Morales-Vidal J, Zou T, Agrachev M, Eliasson H, Wang J, Erni R, Stark WJ, Jeschke G, Grass RN, López N, Mitchell S, Pérez-Ramírez J: Single atoms of indium on hafnia enable superior CO2-based methanol synthesis, Nature Nanotechnology 2. März 2026, DOI: 10.1038/s41565-026-02135-y

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