Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, CO2 zu binden und Wasserstoff gleichzeitig in Methanol zu speichern. Hintergrund sind isolierte Metallatome als Katalysatoren.
Forscherteam der ETH Zürich haben CO2 aus der Luft zusammen mit Wasserstoff in grünes Methanol umgewandelt. Ein einzelnes Indiumatom diente dabei als Katalysator, um diese chemische Reaktion zu beschleunigen. Mit dieser Technologie lässt sich Wasserstoff effizient in flüssiger Form speichern und das Treibhausgas als Energieträger nutzen. Die Methode liefert zudem exakte Daten über die chemischen Abläufe während der Umwandlung.
Methanol dient der Industrie als wichtiger Rohstoff und treibt bereits erste Motoren in der Schifffahrt an. Da der Stoff bei Raumtemperatur flüssig bleibt, ist die Handhabung im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff deutlich einfacher. In dieser Form erreicht Methanol eine Energiedichte, die mit auf 700 bar komprimiertem und auf minus 200 Grad Celsius gekühltem Wasserstoff vergleichbar ist. Für eine nachhaltige Synthese muss der benötigte Wasserstoff allerdings leicht aus grünen Quellen verfügbar sein.
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Forscher produzieren Methanol aus Wasserstoff und CO2
Herkömmliche Katalysatoren arbeiten meist mit Partikeln, die aus mehreren tausend Atomen bestehen. In solchen Clustern bleiben viele Atome im Inneren eingeschlossen und nehmen daher nicht aktiv an der chemischen Reaktion teil.
Die Forscher der ETH Zürich setzen stattdessen auf isolierte Einzelatome des Elements Indium. Durch diesen Aufbau senkt tatsächlich jedes einzelne Atom die nötige Reaktionsenergie auf dem Weg zum Methanol ab. Laut einer im Fachmagazin Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie steigerte das Team die Methanolproduktion so um 70 Prozent im Verhältnis zum eingesetzten Katalysematerial.
Indium kommt in der Natur im Vergleich zu teuren Edelmetallen relativ häufig vor. Dennoch betonen die Forscher, dass die Technik vor allem ihre maximale Nutzungseffizienz erreicht. Jedes Atom hilft aktiv dabei, das Klimagas CO2 in einen flüssigen Brennstoff zu verwandeln.
Hoher Aufwand bremst industrielle Nutzung
Um die einzelnen Indiumatome exakt zu platzieren, benötigen die Wissenschaftler eine spezielle Oberfläche aus Hafniumoxid. Hafnium zählt wie Indium zu den seltenen Elementen, kommt in der Erdkruste jedoch etwa 40-mal häufiger vor.
Zur Herstellung dieser notwendigen Katalyse-Oberfläche erhitzen die Forscher das Material auf extreme Temperaturen von mindestens 2.000 Grad Celsius. Dieser Produktionsschritt macht das Verfahren derzeit noch sehr aufwendig und entsprechend kostspielig für eine breite Anwendung.
Trotz der hohen Kosten ermöglicht der technologische Fortschritt Messungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit direkt am aktiven Zentrum. Im Gegensatz zu früheren Methoden können Forscher nun inaktive Atome aus der Bilanz streichen, die bisher die Ergebnisse verfälschten.
Die Wissenschaftler sehen dadurch exakt, welche Atome an der Reaktion teilnehmen. Dieses neue Wissen soll dazu beitragen, die Produktion von grünem Methanol und weiteren chemischen Grundstoffen künftig zu optimieren.
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