Chemie ohne Erdöl: Wie ein einzelnes Atom aus CO2 Methanol macht

Kohlendioxid gilt als der grosse Klimasünder, doch für die Chemie könnte das verpönte Gas eines Tages zu einem wertvollen Rohstoff werden. Forschende der ETH Zürich haben nun eine Methode vorgestellt, mit der sich aus Kohlendioxid und Wasserstoff besonders effizient Methanol herstellen lässt, ein vielseitiger Grundstoff der modernen Industrie.

Das Herzstück der Entwicklung ist ein sogenannter Einzelatom-Katalysator, der die chemische Reaktion beschleunigt und dabei sparsamer mit teurem Material umgeht als bisherige Verfahren. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology veröffentlicht und wecken die Hoffnung auf eine Chemie, die weniger von fossilen Rohstoffen abhängt.

Ein Katalysator aus einzelnen Atomen

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion in Gang bringt oder beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. In der Industrie werden solche Materialien seit Jahrzehnten eingesetzt, doch die Zürcher Chemiker gehen mit ihrem Ansatz einen entscheidenden Schritt weiter als die klassischen Verfahren.

Anstelle von grösseren Metallpartikeln nutzten die Forschenden einzelne, voneinander isolierte Atome des Metalls Indium, die sie auf ein Trägermaterial aus Hafniumoxid aufbrachten. Auf diese Weise entstand ein Katalysator, der Kohlendioxid und Wasserstoff mit hoher Genauigkeit in das gewünschte Endprodukt umwandelt.

Warum einzelne Atome so viel effizienter sind

Der grosse Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass wirklich jedes einzelne Atom des kostbaren Metalls an der Reaktion teilnehmen kann. Bei herkömmlichen Katalysatoren steckt dagegen ein grosser Teil der Atome im Inneren der Partikel fest und bleibt für die eigentliche chemische Arbeit völlig ungenutzt.

Indem die Forschenden das Metall bis auf die Ebene einzelner Atome verteilen, holen sie aus jeder eingesetzten Menge deutlich mehr heraus. Das macht den Prozess nicht nur wirksamer, sondern schont zugleich seltene und teure Rohstoffe, was für einen späteren Einsatz im grossen Massstab von grosser Bedeutung ist.

Siebzig Prozent mehr Methanol

Wie wirksam der neue Ansatz ist, zeigt sich vor allem an den Zahlen aus dem Labor. Nach Angaben des Forschungsteams liess sich die Ausbeute an Methanol im Verhältnis zum eingesetzten Katalysematerial um rund siebzig Prozent steigern, verglichen mit den bisher üblichen Materialien für diese Reaktion.

Ein solcher Sprung ist in der Katalyseforschung beachtlich, denn schon kleine Verbesserungen können in der industriellen Produktion einen grossen Unterschied machen. Je mehr Methanol sich aus derselben Menge Katalysator gewinnen lässt, desto günstiger und ressourcenschonender wird am Ende das gesamte Verfahren für mögliche Anwender.

Methanol als Baustein ohne Erdöl

Methanol ist weit mehr als nur eine einfache Chemikalie, denn es dient als wichtiger Ausgangsstoff für zahlreiche Produkte des Alltags, von Kunststoffen über Farben bis hin zu Treibstoffen. Bislang wird dieser Grundstoff überwiegend aus fossilen Quellen wie Erdgas gewonnen, was mit hohen Emissionen verbunden ist.

Gelingt es, Methanol stattdessen aus Kohlendioxid und Wasserstoff herzustellen, liesse sich ein Teil dieser fossilen Rohstoffe ersetzen. Das eröffnet die Aussicht auf eine Chemie, die im Kreislauf denkt und das Kohlendioxid als Baustein begreift, anstatt es einfach ungenutzt in die Atmosphäre entweichen zu lassen.

Der Weg zu klimaneutraler Produktion

Entscheidend für die Klimabilanz des Verfahrens ist allerdings, woher die benötigte Energie und der Wasserstoff stammen. Werden beide mit erneuerbaren Quellen erzeugt, kann das auf diese Weise hergestellte Methanol nach Einschätzung der Forschenden unter dem Strich sogar klimaneutral produziert werden.

Damit reiht sich die Arbeit in eine wachsende Zahl von Projekten ein, die das eingefangene Kohlendioxid nicht nur unterirdisch speichern, sondern sinnvoll weiterverwenden wollen. Der Ansatz der ETH zeigt, dass sich Klimaschutz und die Herstellung nützlicher Stoffe unter den richtigen Bedingungen durchaus miteinander verbinden lassen.

Von der Idee zur industriellen Anwendung

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse betonen die Beteiligten, dass zwischen einem Erfolg im Labor und einer Anwendung im industriellen Massstab noch ein weiter Weg liegt. Der Katalysator muss über lange Zeiträume stabil bleiben und sich zu vertretbaren Kosten in grossen Mengen herstellen lassen, bevor er in Fabriken zum Einsatz kommen kann.

Dennoch gilt die Entwicklung als ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung und als Beispiel für die Stärke der Schweizer Grundlagenforschung. Sollte sich die Methode bewähren, könnte sie langfristig einen Beitrag dazu leisten, die Chemieindustrie ein Stück weit unabhängiger von fossilen Rohstoffen zu machen.