24.11.2021 • Energie

Methan aus Kohlendioxid

Effizienter Katalysator für die lichtgetriebene Methanisierung von Kohlendioxid.

Das Recycling von CO₂, insbesondere durch Umsetzung zu Methan, gewinnt bei immer noch steigenden anthropogenen CO₂-Emissionen an Interesse. Ein geeignetes Verfahren ist die photothermische Methanisierung, bei der CO₂ und Wasserstoff unter Bestrahlung mit Sonnenlicht katalytisch in Methan und Wasser umgewandelt werden. Nun berichtet ein Forschungsteam über die Synthese eines hochaktiven, stabilen Nickel-Kohlenstoff-Katalysators für diese Reaktion.

Abb.: Bei der photothermischen Methanisierung werden Kohlendioxid und... — Abb.: Bei der photothermischen Methanisierung werden Kohlendioxid und Wasserstoff unter Bestrahlung mit Sonnenlicht katalytisch in Methan und Wasser umgewandelt. (Bild: Wiley-VCH)

Das Team um Luis Garzón-Tovar und Jorge Gascon von der King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal, Saudi-Arabien, wollte einen effizienten, wirtschaftlichen Katalysator für die photothermische Methanisierung von Kohlendioxid entwickeln. Eine photothermische Katalyse basiert auf der Kombination lichtgetriebener und thermischer chemischer Prozesse. Im Vergleich zur reinen Photokatalyse bietet sie den Vorteil, dass auch längerwelliges Licht aus dem sichtbaren und IR-Bereich für die Reaktion genutzt werden kann. Statt auf Edelmetallen sollte der neue Katalysator auf einem häufig vorkommenden, kostengünstigen Metall basieren. Die Wahl fiel auf Nickel, das in Form von Nanopartikeln in hoher Beladung auf einem Kohlenstoff-basierten Träger eingesetzt werden sollte. Kohlenstoff-Materialien sind aufgrund ihrer breitbandigen Lichtabsorption, hohen Effizienz bei der Umwandlung von Licht- in Wärmeenergie und ihrer großen Oberfläche vielversprechende Träger für die photothermische Katalyse.

Das Team wählte ein Nickel-haltiges Metall-organisches Gerüst (Ni-MOF-74) als Ausgangspunkt für die Herstellung des Katalysators. Dessen kontrollierte Pyrolyse bei 600 Grad Celsius erwies sich als optimal. Ni-MOF-74 zerfällt dabei unter Bildung gleichmäßig feinst verteilter Nickel-Nanopartikel, die in eine poröse graphitische Kohlenstoff-Matrix eingebettet sind. Das erhaltene, als Ni@C bezeichnete Material zeigte eine hohe Umsatzrate und Selektivität bei der Methanisierung unter künstlicher Bestrahlung mit UV-, sichtbarem und IR-Licht. Im kontinuierlichen Prozess im Durchflussreaktor blieb die Leistung des Katalysators über einen Zeitraum von mehr als zwölf Stunden stabil.

Als Machbarkeitsnachweis wurde ein Experiment im Freien unter natürlichem Sonnenlicht durchgeführt, der das Potenzial des neuen Katalysators zur Reduzierung von CO₂ zu CH₄ mittels Solarenergie belegen konnte.

GdCh / JOL