Neuer Katalysator verdreifacht Methanol-Produktion aus CO2

Methanol ist ein vielseitiger Rohstoff: Es dient als Grundlage für Kunststoffe, Farben und Medikamente und kann sogar als Kraftstoff oder Energiespeicher genutzt werden. Besonders vielversprechend ist die Idee, Methanol aus Kohlendioxid (CO₂) herzustellen – dem Treibhausgas, das wir loswerden wollen. So ließe sich Kohlenstoff im Kreis führen, statt ihn aus fossilen Quellen zu fördern.

Doch die Umwandlung von CO₂ in Methanol ist knifflig. Bei niedrigen Temperaturen läuft die Reaktion zwar von Natur aus günstig ab, aber das CO₂-Molekül ist extrem stabil und lässt sich nur schwer aktivieren – die Ausbeute bleibt gering. Erhitzt man das Gemisch, wird das CO₂ reaktionsfreudiger, aber dann setzt eine unerwünschte Nebenreaktion ein: die sogenannte Reverse-Water-Gas-Shift-Reaktion, bei der giftiges Kohlenmonoxid (CO) entsteht. Die Folge: weniger Methanol, mehr Abfall. Dieses Dilemma zwischen Aktivität und Selektivität hat die Forschung jahrzehntelang ausgebremst.

Ein Team um die Professoren Jian Sun und Jiafeng Yu vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat nun einen Ausweg gefunden. Die Forscher entwickelten einen neuartigen Katalysator, der die verschiedenen Reaktionsschritte räumlich trennt. Das Herzstück ist eine sogenannte SMSI-getriebene Deckschicht (Strong Metal-Support Interaction), die die aktiven Zentren des Katalysators voneinander isoliert. Auf diese Weise können die Reaktionsschritte – die Aktivierung des CO₂, die Anlagerung von Wasserstoff und die Abspaltung von Sauerstoff – an unterschiedlichen Orten stattfinden, ohne sich gegenseitig zu stören.

Konkret geschieht das so: Das CO₂ wird bevorzugt an Zirkoniumdioxid (ZrO₂)-Stellen adsorbiert und aktiviert. Dort findet zunächst die Hydrierung statt – Wasserstoff wird angelagert. Erst danach wird die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung aufgebrochen. Bei herkömmlichen Kupfer-Katalysatoren ist es genau umgekehrt: Die Bindung wird zuerst gespalten, was die unerwünschte CO-Bildung begünstigt. Der neue Reaktionsweg unterdrückt diese Nebenreaktion, während die Kupfer-Zentren weiterhin effizient Wasserstoffmoleküle spalten können.

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Bei 300 Grad Celsius und einem Druck von 30 Bar produzierte der Katalysator 1,2 Gramm Methanol pro Gramm Katalysator und Stunde – etwa dreimal so viel wie handelsübliche Kupfer-Zink-Aluminium-Katalysatoren. „Unsere Studie könnte einen neuen Weg eröffnen, den jahrzehntealten Zielkonflikt zwischen Aktivität und Selektivität bei der Methanol-Synthese aus CO₂ zu überwinden“, sagt Prof. Sun.

Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Chem veröffentlicht und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer wirtschaftlichen CO₂-Nutzung. Zwar ist der Katalysator noch nicht marktreif, doch das Prinzip der räumlichen Trennung von Reaktionsschritten könnte sich auf viele andere chemische Prozesse übertragen lassen. Wenn es gelingt, CO₂ günstig in Methanol umzuwandeln, ließe sich das Treibhausgas als Rohstoff nutzen – und gleichzeitig die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas verringern.