Pflanzen können das schon lange: Mit Hilfe der Photosynthese binden sie CO 2 und wandeln es durch eine Enzymreaktion in längerkettige energiereiche Kohlenwasserstoff-Verbindungen um. Das CO 2 wird dafür durch energiereiche Elektronen chemisch reduziert. Nach Verfahren, diese Reaktion künstlich nachzubauen, suchen Forscher schon seit Jahrzehnten – allerdings nur mit begrenztem Erfolg.
“Eines der Hauptprobleme ist es, Katalysatoren zu finden, die das CO 2 über bloßes Kohlenmonoxid, Ameisensäure oder Acetat hinaus reduzieren können”, erklären Jing Shen von der Universität Leiden und seine Kollegen. Denn um beispielsweise Erdgas zu erhalten, muss das CO 2 in Methan (CH 4) umgewandelt werden. Bisher wurden dafür meist teure Katalysatoren aus Platinmetallen eingesetzt. Bei diesen Verfahren entsteht jedoch viel Wasserstoff, was die Ausbeute verringert und das ganze zudem explosiv macht.
Von CO 2 zu Methan und Co.
Jetzt haben Shen und seine Kollegen eine Methode gefunden, um die Umwandlung effektiver zu machen. Das Ganze funktioniert noch dazu mit relativ kostengünstigen Materialien. Gebraucht wird dafür nur eine saure Elektrolytlösung, in die eine Graphit-Elektrode eingelassen ist. An dieser Elektrode sitzt der Katalysator der Reaktion, das Kobalt-Porphyrin. Von diesem ist schon länger bekannt, dass er die Reduktion von CO 2 unterstützt.
Nun wird eine leichte Spannung an das Ganze angelegt und CO 2 durch die Elektrolytlösung geleitet. Wie die Forscher herausfanden, hängt es nun entscheidend vom pH-Wert der Lösung ab, ob viel Wasserstoff entsteht oder aber Kohlenmonoxid, das dann über mehrere Schritte weiter reduziert wird zu Methan, Methanol und anderen energiereichen Verbindungen.
Speicher-Methode für erneuerbare Energien
Die Forscher sehen in ihren neuen Erkenntnissen zu Verbesserung dieser Umwandlung einen wichtigen Schritt hin zu einer klimaverträglicheren Energiewirtschaft. Denn das Treibhausgas CO 2 würde so nicht mehr ungenutzt in die Atmosphäre entweichen, sondern könnte sinnvoll genutzt werden – um Brennstoffe und wertvolle Rohstoffe für die chemische Industrie zu erzeugen, aber auch, um Energie zu speichern.
“Wir erzeugen mehr und mehr Energie durch Photovoltaik und Windkraft, aber diese Energie wird nicht immer sofort genutzt”, sagt Studienleiter Marc Koper von der Universität Leiden. “In Deutschland beispielsweise wird zu manchen Zeiten sogar zu viel erneuerbare Energie gewonnen, deshalb braucht man Möglichkeiten, diese zu speichern.”
Erster Schritt in die richtige Richtung
Und genau darin sieht der Forscher die wichtigste Anwendung seiner Ergebnisse: “Erneuerbare Energie effizient zu nutzen, indem man mit ihr Wasser und CO 2 in wertvolle Endprodukte umwandelt”, erklärt er. Denn indem der Strom aus Wind und Sonne in diese Umwandlungsprozesse gesteckt wird, wird die Energie gleichzeitig in chemischer Form gespeichert – in Form von Erdgas und anderen energiereichen Kohlenstoffverbindungen.
Noch wird es allerdings eine ganze Weile dauern, bis die Technologie dafür ausgereift ist. “Dies ist etwas Langfristiges”, meint Koper. “Es könnte sogar noch weitere 50 Jahre dauern, bevor wir eine Methode haben, die diese Endprodukte auf robuste, skalierbare und kosteneffektive Weise erzeugt.” Aber die jetzigen Ergebnisse seien ein wichtiger Schritt auf dem Weg dahin. “Ich bin davon überzeugt, dass das der Weg für die Zukunft ist”, betont der Forscher.
Quelle: Universität Leiden, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms9177
