Synthetisches Methan aus dem Elektrolyseur
Neuer Katalysator von Forschern der Rice University sorgt für eine hocheffiziente CO2-Nutzung
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Kohlenstoff in seiner schönsten Form: als Diamant (Foto: MECO, pixabay.com) |
Houston (pte003/27.09.2023/06:10)
Forscher um Pulickel Ajayan von der Rice University haben eine neue attraktive Verwertungstechnik für CO2 entwickelt: Sie stellen daraus Methan her, das nahezu identisch ist mit Erdgas. Anders als dieser fossile Brennstoff wird bei Nutzung des synthetischen Methans allerdings nur so viel CO2 frei, wie zuvor der Atmosphäre entnommen worden ist. Der Prozess ist eigenen Angaben nach klimaneutral.
Grüner Strom als Grundlage
Nun ist es nicht so einfach, die feste Bindung zwischen Sauer- und Kohlenstoff aufzubrechen, um letzteren schließlich mit vier Wasserstoffatomen zu verheiraten, also Methan herzustellen. Ajayans Team gelingt das mithilfe der Elektrolyse, die besser bekannt ist aus der Spaltung von Wasser in Wasser- und Sauerstoff. Der Prozess ist umweltneutral, wenn Strom aus erneuerbaren Quellen genutzt wird.
Die Bindung innerhalb des CO2-Moleküls ist allerdings so stabil, das elektrische Energie nicht ausreicht, sie aufzubrechen. Das gelingt nur mit einem speziell für diesen Zweck entwickelten Katalysator. Gemeinsam mit seinem Kollegen Soumyabrata Roy hat Ajayan Polymerschablonen entworfen, die aus sich abwechselnden Kohlenstoff- und Stickstoffatomen bestehen. Sie enthalten winzige Poren, in die Kupferatome diffundieren. Die Forscher haben eine Lösung aus Wasser und CO2 hergestellt und versetzten diese mit dem Katalysator. In diese Flüssigkeit tauchten sie Elektroden ein und legten eine Gleichspannung an. In einer Hälfte der Zelle entstand Methan, in der anderen Sauerstoff.
Auf Abstände kommt es an
"Wir fanden heraus, dass die Veränderung der Abstände der Kupferatome die für wichtige Reaktionsschritte benötigte Energie senkt und dadurch die chemische Umwandlung beschleunigt. Diese kooperative Wirkung benachbarter Kupferatome trägt dazu bei, Methan mit einer sehr hohen Selektivitäts- und Effizienzrate zu produzieren", so Roy.
"Die Umwandlung von CO2 in Methan umfasst bisher acht Schritte, die erhebliche Herausforderungen für die selektive und energieeffiziente Methanproduktion mit sich bringen. Die Überwindung solcher Probleme kann dazu beitragen, den künstlichen Kohlenstoffkreislauf in sinnvollen Maßstäben zu schließen. Die Entwicklung effizienter und erschwinglicher Katalysatoren ist ein wichtiger Schritt zur Erreichung dieses Ziels", meint Roy.
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