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.

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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• Originalveröffentlichung
  A. Kurlov et al.: Exploiting two-dimensional morphology of molybdenum oxycarbide to enable efficient catalytic dry reforming of methane, Nat. Commun. 11, 4920 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18721-0
• Laboratory of Energy Science and Engineering, ETH Zürich