Neuer Katalysator für Synthesegas
09.10.2020 - 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.
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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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