Katalysator für nachhaltiges Synthesegas

07.10.2020

Von:  Michael Keller

ETH-Forschende haben einen Katalysator entwickelt, der CO2 und Methan effizient in Synthesegas umwandelt – ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Daraus k?nnte man künftig nachhaltige Treibstoffe und Kunststoffe herstellen.

Heute basieren fast alle Treib-, Brenn- und Kunststoffe auf fossilen Kohlenstoffquellen wie Erd?l, Erdgas oder Kohle. Weltweit wird nach Wegen gesucht, um fossile Kohlenwasserstoffe durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen. Ein Ansatz ist die Neusynthese von organischen Verbindungen aus den klimasch?dlichen Rohstoffen Methan (CH4) und CO2.

In einem ersten Schritt müssen die beiden Treibhausgase unter Energieaufwand miteinander reagieren. Dabei entsteht ein Gasgemisch aus energiereichem Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), sogenanntes Synthesegas.

Ein Forschungsteam um ETH-Professor Christoph Müller und Senior Scientist Alexey Fedorov hat nun einen neuartigen Katalysator entwickelt, der die Umwandlung von CO2 und CH4 in Synthesegas um Gr?ssenordnungen effizienter erm?glicht als bisherige Katalysatormaterialien.

Synthesegas ist ein wichtiges Ausgangsmaterial für die chemische Industrie: Es l?sst sich zu synthetischen Flüssigtreibstoffen weiterverarbeiten oder man gewinnt daraus Methanol, das wiederum als Basischemikalie für die Herstellung von Kunststoffen dient.

Hochaktiv und stabil

Beim neuen Katalysator handelt es sich um hauchdünne Metalloxidkarbide. Genauer: feinste, nur wenige Atomlagen dünne Filme aus Metallkarbiden, die auf einem Oxidtr?ger stabilisiert sind. An diesen dünnen Schichten erfolgt die chemische Reaktion von CO2 und Methan zu Synthesegas. Dabei zeigen die fl?chenf?rmigen Metalloxidkarbide eine rund tausend Mal h?here katalytische Aktivit?t als ihre Vorg?nger, Metallkarbide mit einer r?umlichen Struktur (sogenannte Bulk-Karbide). Zudem erweisen sich die neuartigen Katalysatoren als ausgesprochen stabil.

Film aus Metalloxidkarbiden
Ein dünner Film aus Metalloxidkarbiden, fixiert auf einem Oxidtr?ger, erm?glichen die Reaktion von CO2 und Methan (CH4) zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). (Visualisierung: Alexey Kurlov, Evgenia Deeva / ETH Zürich)

?Herk?mmliche Katalysatoren auf der Basis von Metallkarbiden haben die ungünstige Eigenschaft, dass sie in Anwesenheit von CO2 oxidieren und dadurch ihre reaktiven F?higkeiten verlieren?, erkl?rt Christoph Müller, Professor für Energiewissenschaft und Energietechnik am Department Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Die neuen Metalloxidkarbide haben diesen Nachteil nicht.

Den Kohlenstoffkreislauf schliessen

Die katalytische Reaktion von CO2 und Methan zu Synthesegas ist ein wichtiger Schritt im Hinblick auf die Produktion von klimafreundlichen Treibstoffen und Basischemikalien. Da man das CO2 aus der Atmosph?re gewinnen kann und nur das Methan aus Jahrmillionen alten fossilen Lagerst?tten stammt, h?tten solche synthetischen Kraftstoffe und Chemikalien einen geringeren Kohlenstoff-Fussabdruck als fossile Brennstoffe.

Bis zu einer industriellen Anwendung ist es allerdings noch ein weiter Weg. ?Wir hoffen, dass unser neues Katalysatormaterial eine attraktive Option für die Herstellung von Synthesegas wird?, sagt Alexey Fedorov, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Müllers Gruppe und Co-Autor der Studie.

Laut den Forschenden k?nnte der neue Reaktionsbeschleuniger insbesondere teure Edelmetall-Katalysatoren, etwa auf der Basis von Ruthenium, ersetzen. Aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften haben die ultradünnen Metalloxidkarbide aber auch das Potenzial, ganz neue Anwendungen zu erm?glichen.

Literaturhinweis

Kurlov A, Deeva E, Abdala P, Lebedev D, Tsoukalou A, Comas-Vives A, Fedorov A, Müller C: Exploiting two-dimensional morphology of molybdenum oxycarbide to enable efficient catalytic dry reforming of methane. Nature Communications 11, 4920 (2020). doi: 10.1038/s41467-020-18721-0

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