„Es ist besser, wenn wir die Technologien entwickeln, während wir sie noch nicht brauchen“, sagt Hlina. | © Unsplash/Maria Lupan
Kohlendioxid gilt vor allem als Treibhausgas. Für die chemische Industrie könnte es jedoch auch zu einer Rohstoffquelle werden. An der Universität Graz untersucht der Chemiker Johann Hlina, wie sich Kohlenoxide mithilfe von Seltenerdmetallen wieder in Kohlenwasserstoffe umwandeln lassen.
Das langfristige Ziel ist ein geschlossener industrieller Kohlenstoffkreislauf. Kohlenstoff für Treibstoffe, Kunststoffe, Medikamente oder Lösungsmittel stammt bislang überwiegend aus Erdöl, Erdgas und Kohle. Durch die Rückgewinnung aus Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid könnte der Bedarf an fossilen Rohstoffen künftig reduziert werden.
„Das große Ziel ist, den industriellen Kohlenstoffkreislauf zu schließen“, sagt Hlina.
Kohlenmonoxid als chemische Zwischenstufe
Im vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“ konzentriert sich das Grazer Forschungsteam auf Kohlenmonoxid. Das Molekül enthält weniger Sauerstoff als Kohlendioxid und kann daher als Zwischenstufe für weitere chemische Reaktionen dienen.
Die zentrale Herausforderung besteht darin, Kohlenstoffatome gezielt miteinander zu verbinden. Solche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bilden die Grundlage zahlreicher Stoffe, die in der chemischen Industrie benötigt werden.
Kohlenmonoxid ist jedoch reaktionsträge und muss zunächst aktiviert werden. Dafür entwickelt das Team Metallkomplexe, in denen mehrere Metallzentren zusammenarbeiten. Diese sogenannte kooperative Reaktivität soll es ermöglichen, Moleküle zu binden, auszurichten und einzelne chemische Bindungen gezielt zu verändern.
Seltenerdmetalle als Katalysatoren
Für die Metallkomplexe verwendet Hlina Seltenerdmetalle. Trotz ihres Namens seien diese Elemente nicht außergewöhnlich selten. „Er ist etwas irreführend, diese Metalle sind gar nicht so selten“, sagt der Chemiker.
Seltenerdmetalle sind bislang vor allem aus technischen Anwendungen wie Magneten, Windkraftanlagen, Displays oder Speichermedien bekannt. In der Katalyse sind ihre chemischen Eigenschaften hingegen weniger umfassend erforscht als jene klassischer Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel oder Palladium.
Für die Umwandlung von Kohlenoxiden könnten sie dennoch entscheidende Vorteile bieten. Sie können Moleküle auf besondere Weise binden und dadurch Reaktionsschritte unterstützen, bei denen Sauerstoff entfernt, Wasserstoff eingebaut und Kohlenstoffatome miteinander verknüpft werden.
Hoher Energiebedarf bleibt Herausforderung
Die chemische Rückumwandlung von Kohlenoxiden bleibt energieintensiv. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wird Energie frei, die bei der Umkehrung des Prozesses wieder zugeführt werden muss.
„Die Thermodynamik sitzt einem im Nacken“, beschreibt Hlina die grundlegende Herausforderung. Ziel sei es daher nicht, Naturgesetze zu umgehen, sondern die erforderliche Energie durch geeignete Katalysatoren und besser verstandene Reaktionswege effizienter einzusetzen.
Ein mögliches Zielprodukt ist Ethylen, ein wichtiger Ausgangsstoff für Polyethylen und zahlreiche weitere Industrieprodukte. Ethylen aus Kohlenoxiden herzustellen, wäre laut Hlina „eine sehr spannende Angelegenheit“.
Erste Fortschritte bei Metallhydriden
Das Team hat bereits mehrkernige Metallkomplexe hergestellt, in denen mehrere Metallzentren gezielt zusammenwirken. Ein Schwerpunkt liegt derzeit auf Metallhydridverbindungen, bei denen Wasserstoff direkt an ein Metall gebunden ist.
Diese Verbindungen sind für die Forschung wichtig, weil bei der Umwandlung von Kohlenoxiden Sauerstoff schrittweise durch Wasserstoff ersetzt werden muss. Die genaue Untersuchung dieser Zwischenstufen soll langfristig zeigen, wie sich größere chemische Reaktionen gezielt steuern lassen.
„Man hat die eigenen Ideen und Vorstellungen und die werden natürlich auch wieder herausgefordert“, sagt Hlina über die Laborarbeit.
Grundlagenforschung für eine klimafreundlichere Industrie
Das Projekt ist zunächst als Grundlagenforschung angelegt. Es soll klären, welche Metallkomplexe für bestimmte Reaktionsschritte geeignet sind und wie mehrere Metallzentren dabei zusammenwirken.
Eine industrielle Anwendung steht noch nicht unmittelbar bevor. Die Ergebnisse könnten jedoch langfristig dazu beitragen, Kohlenstoff aus Abgasen als Rohstoff zu nutzen und chemische Produktionsprozesse ressourcenschonender zu gestalten.
„Es ist besser, wenn wir die Technologien entwickeln, während wir sie noch nicht brauchen“, sagt Hlina.
Das Forschungsprojekt läuft von 2023 bis 2027 und wird vom Wissenschaftsfonds FWF mit rund 405.000 Euro gefördert.