Katalysator für nachhaltiges Methanol

Die Weltwirtschaft fusst immer noch auf den fossilen Kohlenstoffquellen Erdöl, Erdgas und Kohle. Dies nicht nur für die Produktion von Treib- und Brennstoffen, sondern auch als Rohstoff für die chemische Industrie zur Herstellung von Kunstoffen und zahlreichen weiteren chemischen Verbindungen.

Seit Längerem werden zwar Wege gesucht, Flüssigtreibstoffe und chemische Produkte aus alternativen, nachhaltigen Rohstoffen herzustellen, diese sind jedoch bis jetzt nicht über Nischenanwendungen hinausgekommen.

Wissenschaftler der ETH Zürich haben nun zusammen mit dem französischen Mineralölunternehmen Total eine neue Technologie entwickelt, mit der man Methanol effizient direkt aus CO2 und Wasserstoff herstellen kann. Methanol gilt als Grundchemikalie.

Es ist möglich, daraus Treibstoffe und eine grosse Bandbreite an chemischen Produktion herzustellen, darunter auch solche, die heute auf fossilen Rohstoffen basieren. Ausserdem hat Methanol das Potenzial, selbst als Treibstoff zu dienen, zum Beispiel in Methanol-Brennstoffzellen.

Nanotechnologie

Kern des neuen Ansatzes ist ein chemischer Katalysator auf der Basis von Indiumoxid, den das Team unter der Leitung von Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalyse-Engineering an der ETH Zürich, entwickelt hat. Dass sich Indiumoxid eignet, um die entsprechende chemische Reaktion zu katalysieren, hat das Team bereits vor wenigen Jahren experimentell zeigen können.

Vielversprechend war schon damals, dass bei Verwendung dieses Katalysators praktisch nur Methanol und, mit Ausnahme von Wasser, fast keine Nebenprodukte entstehen. Zudem erwies sich der Katalysator als sehr stabil. Allerdings war Indiumoxid als Katalysator nicht ausreichend aktiv. Das heisst, es werden davon grosse Mengen gebraucht, weshalb sich damit keine wirtschaftlich rentable Anlage betreiben lässt.

Den Wissenschaftlern ist es nun gelungen, die Aktivität des Katalysators markant zu erhöhen, ohne dessen Selektivität und Stabilität zu beeinträchtigen. Sie versetzten dazu das Indiumoxid mit einer geringen Menge Palladium.

«Genauer gesagt führen wir einzelne Palladium-Atome ins Kristallgitter des Indiumoxids ein, welche weitere Palladium-Atome an dessen Oberfläche verankern und damit Cluster bilden, welche wichtig sind für die Leistung des Katalysators», erklärt Cecilia Mondelli, Wissenschaftlerin in Pérez-Ramírez’ Gruppe. Man könne somit von Nanotechnologie sprechen, ergänzt Pérez-Ramírez. Die Arbeit zeige beispielhaft, dass die chemische Katalyse durch theoretische Überlegungen und den Einsatz von moderner Analytik eine Nanotechnologie geworden sei.

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf

«Heute wird Methanol industriell ausschliesslich aus fossilen Energiequellen gewonnen, mit einem entsprechend hohen CO2-Fussabdruck», sagt der ETH-Professor. «Mit unserer Technik benutzen wir CO2 zur Herstellung von Methanol.» Dieses CO2 kann aus der Luft gewonnen werden oder – was einfacher und effizienter ist – aus der Abluft von Verbrennungskraftwerken. Auch wenn aus dem Methanol Treibstoffe synthetisiert werden, die man später verbrennt, wird das CO2 rezykliert und der Kohlenstoffkreislauf damit geschlossen.

Zur Herstellung des zweiten Ausgangsstoffes, Wasserstoff, wird Elektrizität benötigt. Stamme diese aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne oder Wasserkraft, liessen sich damit nachhaltiges Methanol und somit nachhaltige Chemikalien und Flüssigtreibstoffe herstellen, wie die Wissenschaftler betonen.

Gegenüber anderen Ansätzen, die derzeit verfolgt werden um «grüne» Treibstoffe herzustellen, habe diese Methode den grossen Vorteil, dass sie nahe an der Marktreife sei, so Pérez-Ramírez. Die ETH Zürich und Total haben die Technologie gemeinsam zum Patent angemeldet. Total plant, die Methode hochzuskalieren und sie möglicherweise in den kommenden Jahren in einer Demonstrationsanlage umzusetzen.

Frei MS, Mondelli C, Garcia-Muelas R, Kley KS, Puértolas B, López N, Safonova O, Stewart JA, Curulla Ferré D, Pérez-Ramírez J: Atomic-scale engineering of indium oxide promotion by palladium for methanol production via CO2 hydrogenation. Nature Communications, 29. Juli 2019, doi: 10.1038/s41467-019-11349-9 [http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-11349-9]

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