Kohlendioxid als Rohstoff

Noch bis zum 17. November geht in Bonn die Weltklimakonferenz über die große Bühne. Kohlendioxid ist dort in aller Munde – in seiner Rolle als klimaschädliches Abgas. Forscher fragen aber auch, wie man das Kohlendioxid als Rohstoff nutzen könnte.

Die Industrie nutzt bspw. große Mengen Kohlenmonoxid (CO) für die Herstellung von Polycarbonat oder Polyurethan – thermoplastische Kunststoffe, die für CDs, Brillen oder Schaumstoff verwendet werden. „Das im Produktionsprozess benötigte Kohlenmonoxid wird bislang aus Methan, einem fossilen Brennstoff, gewonnen“, erläutert Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin. „Ein Prozess, bei dem nicht nur fossile Brennstoffe verbraucht werden, sondern bei dem zusätzlich auch noch Kohlendioxid entsteht. Die Frage war, ob man das Kohlenmonoxid unbedingt aus Methan gewinnen muss oder ob es nicht auch eine Möglichkeit gibt, es effektiv aus CO2 zu gewinnen? Die Antwort darauf ist: Ja, elektrochemisch geht das und dieser Prozess wird zurzeit intensiv untersucht.“

Das Problem sei, dass der beste bislang bekannte Katalysator für diese Elektrolyse immer noch relativ unspezifisch ist und zusätzlich noch Gold oder Silber in seinem reaktiven Zentrum benötigt. Dadurch würde der Prozess relativ kostenintensiv.

Effizienz hängt vom verwendeten Metall ab

Die Arbeitsgruppe um Peter Strasser hat sich daher in einem Gemeinschaftsprojekt mit einem bioinspirierten Katalysator beschäftigt. Dessen aktives Zentrum lehnt sich an das aktive Zentrum des Hämoglobins (das sogenannte Porphyrin) an. Es enthält in seinem aktiven Zentrum vier Stickstoff-Atome und in der Mitte ein Metall-Atom. Genau dieses aktive Zentrum wurde als Festkörper hergestellt. Theoretische Vorhersagen besagten, dass diese sogenannten Porphyrin-Motive elektrochemisch nicht nur Sauerstoff reduzieren können, sondern sehr selektiv aus Kohlendioxid Kohlenmonoxid machen können. Eines der wenigen Nebenprodukte ist z. B. Wasserstoff. Die entscheidende Rolle spielt das zentrale Metall. Es bindet das CO2-Molekül und macht daraus über verschiedene Zwischenstufen Kohlenmonoxid. Wie effektiv diese Kohlenmonoxid-Produktion ist, hängt wesentlich von dem Metall im aktiven Zentrum des Katalysators ab.

„Wir haben unter anderem Nickel und Eisen als zentrales Atom in dem Katalysator untersucht“, so Peter Strasser. „Nickel zum Beispiel ist ein besonders interessantes Derivat, da es das Kohlenmonoxid nur schwach bindet und es relativ leicht wieder als Gas entlässt. Enthält das aktive Zentrum dagegen Eisen, liegt die Produktion von Kohlenmonoxid anfangs zwar höher als beim Nickel, allerdings wird das Kohlenmonoxid deutlich stärker gebunden. Als eine Folge davon wird der Katalysator auch deutlich schneller blockiert. Im Vergleich von den verschiedenen Katalysator-Derivaten konnten wir belegen, dass zumindest im Labormaßstab ein zu 99 Prozent kohlenstoffbasierter Katalysator mit Nickel in seinem aktiven Zentrum effektiver und selektiver Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid herstellt, als die bekannten Gold- und Silber-Katalysatoren.“

Bisher wurden diese Katalysatoren im Labormaßstab untersucht. Nun sollen sie im Grammbereich hergestellt und getestet werden.