Neuer Katalysator verwandelt CO2 in wertvolle Chemikalien

Ein neuer Katalysator, der von Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory (ANL), der Northern Illinois University und der University of Valparaiso unter der Leitung des US-Energieministeriums entwickelt wurde, ermöglicht die Umwandlung von CO2 in Ameisensäure, Ethanol oder Essigsäure. Diese Chemikalien fallen normalerweise bei der großtechnischen Produktion von Erdöl an. Jedes Jahr werden riesige Mengen an Ameisensäure, Ethanol und Essigsäure produziert, wobei CO2 freigesetzt wird. Das neue Verfahren nutzt stattdessen bereits vorhandenes CO2 als Ausgangsstoff, so dass ein geschlossener Kreislauf entsteht, ohne dass zusätzliches CO2 benötigt wird.

CO2 sinnvoll einsetzen

Der Katalysator besteht aus dem häufig vorkommenden Metall Zinn, das auf einen Träger aus Kohlenstoff aufgebracht wird. Als Ausgangsmaterial soll CO2 aus industriellen Verbrennungsanlagen und Biogasanlagen verwendet werden. Das Verfahren basiert auf der Elektrokatalyse, die mit Strom betrieben wird, idealerweise mit Ökostrom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Solar-, Wasser- und Kernkraftwerken.

Dabei wird gleichzeitig Wasserstoff erzeugt, der neben dem Kohlenstoff aus dem CO2 der einzige weitere Bestandteil der Chemikalien ist. Durch die Anpassung der Größe des verwendeten Zinns - von einzelnen Atomen über ultrakleine Cluster bis hin zu größeren Nanokristalliten – kann das Forscherteam die Umwandlung von CO2 in Essigsäure, Ethanol oder Ameisensäure gezielt steuern.

Wirkungsgrad 90 Prozent

„Es ist uns gelungen, jeden der drei Kohlenwasserstoffe mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent herzustellen“, sagt ANL-Chemiker Di-Jia Liu. Die Forschungsergebnisse ermöglichten die Advanced Photon Source (APS) und das Center for Nanoscale Materials (CNM), beides Einrichtungen am ANL. „Mit den an der APS verfügbaren harten Röntgenstrahlen konnten wir die chemischen und elektronischen Strukturen der Katalysatoren auf Zinnbasis mit unterschiedlichen Zinnbeladungen erfassen“, so ANL-Physiker Chengjun Sun.

Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler mit dem Transmissionselektronenmikroskop CNM die Anordnung der Zinnatome von einzelnen Atomen bis hin zu kleinen Clustern mit hoher räumlicher Auflösung direkt sichtbar machen. Würde das Verfahren in großem Maßstab angewendet, könnten Hunderte Millionen Tonnen CO2 umgewandelt werden. Angesichts eines jährlichen Ausstoßes von fast 40 Milliarden Tonnen des Treibhausgases wäre dies jedoch nur ein kleiner Fortschritt.