Methan aus 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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  I. S. Khan et al.: An Efficient Metal–Organic Framework-Derived Nickel Catalyst for the Light Driven Methanation of CO₂, Ang. Chem., online 14. Oktober 2021; DOI: 10.1002/ange.202111854
• Advanced Catalytic Materials, King Abdullah University of Science and Technology, Thuwal, Saudi Arabien