09.10.2020 • Energie

Neuer Katalysator für Synthesegas

Nur wenige Atomlagen dünne Filme aus Metallkarbiden zeigen hohe Effizienz.

Heute basieren fast alle Treib-​, Brenn-​ und Kunststoffe auf fossilen Kohlenstoff­quellen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Weltweit wird nach Wegen gesucht, um fossile Kohlen­wasserstoffe durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen. Ein Ansatz ist die Neusynthese von organischen Verbindungen aus den klima­schädlichen Gasen Methan und Kohlendioxid. In einem ersten Schritt müssen die beiden Treibhausgase unter Energie­aufwand miteinander reagieren. Dabei entsteht ein Gasgemisch aus energie­reichem Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das Synthesegas. Ein Forschungsteam an der ETH Zürich um Christoph Müller und Alexey Fedorov hat nun einen neuartigen Kata­lysator entwickelt, der die Umwandlung von CO2 und CH4 in Synthesegas um Größen­ordnungen effizienter ermöglicht als bisherige Katalysator­materialien.

Abb.: Ein dünner Film aus Metalloxid­karbiden, fixiert auf einem...
Abb.: Ein dünner Film aus Metalloxid­karbiden, fixiert auf einem Oxid­träger, ermöglichen die Reaktion von Kohlen­dioxid und Methan zu Wasserstoff und Kohlen­monoxid. (Bild: A. Kurlov & E. Deeva, ETHZ)

Beim neuen Katalysator handelt es sich um hauchdünne Metalloxid­karbide. Genauer: feinste, nur wenige Atomlagen dünne Filme aus Metall­karbiden, die auf einem Oxidträger stabilisiert sind. An diesen dünnen Schichten erfolgt die chemische Reaktion von CO2 und Methan zu Synthesegas. Dabei zeigen die flächen­förmigen Metalloxidkarbide eine rund tausend Mal höhere kata­lytische Aktivität als ihre Vorgänger, Metallkarbide mit einer räumlichen Struktur. Zudem erweisen sich die neuartigen Kata­lysatoren als ausgesprochen stabil. „Herkömmliche Katalysatoren auf der Basis von Metallkarbiden haben die ungünstige Eigenschaft, dass sie in Anwesenheit von CO2 oxidieren und dadurch ihre reaktiven Fähigkeiten verlieren“, sagt Christoph Müller. Die neuen Metalloxid­karbide haben diesen Nachteil nicht.

Die katalytische Reaktion von CO2 und Methan zu Synthesegas ist ein wichtiger Schritt im Hinblick auf die Produktion von klima­freundlichen Treibstoffen und Basis­chemikalien. Da man das CO2 aus der Atmosphäre gewinnen kann und nur das Methan aus Jahr­millionen alten fossilen Lagerstätten stammt, hätten solche synthetischen Kraftstoffe und Chemikalien einen geringeren Kohlenstoff-​Fuß­abdruck als fossile Brennstoffe. Bis zu einer industriellen Anwendung ist es allerdings noch ein weiter Weg. „Wir hoffen, dass unser neues Katalysator­material eine attraktive Option für die Herstellung von Synthesegas wird“, sagt Alexey Fedorov. Laut den Forschern könnte der neue Reaktions­beschleuniger insbesondere teure Edelmetall-​Katalysatoren, etwa auf der Basis von Ruthenium, ersetzen. Aufgrund ihrer kata­lytischen Eigenschaften haben die ultradünnen Metalloxid­karbide aber auch das Potenzial, ganz neue Anwendungen zu ermöglichen.

ETHZ / JOL

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