Aus CO2 mach Kohlenstoff

Praktische Transformation: Forscher haben einen Weg gefunden, das Treibhausgas CO2 in festen Kohlenstoff zu verwandeln. Möglich wurde dies dank spezieller Elektrokatalysatoren aus Flüssigmetall. Mit deren Hilfe lässt sich das Gas schon bei Raumtemperatur in kohlenstoffhaltige Feststoffe überführen. Damit kann man CO2 künftig nicht nur leichter entsorgen – es entstehen auch Materialien, die sich beispielsweise für den Einsatz in Batterien eignen.

Angesichts der zögerlichen Fortschritte im weltweiten Klimaschutz plädieren immer mehr Forscher dafür, das Treibhausgas Kohlendioxid aktiv aus der Luft zu ziehen – und dort zu speichern, wo es dem Klima nicht schaden kann. Doch diese sogenannte CCS-Technologie ist nicht unumstritten. So gibt es beispielsweise Bedenken, dass das CO2 durch Lecks wieder an die Oberfläche treten könnte. Solche Nebenwirkungen ließen sich jedoch verhindern: indem das Treibhausgas in festes Material verwandelt wird.

Pilotversuche in Island haben jüngst gezeigt, dass CO2 in porösem Basaltgestein unter bestimmten Bedingungen zu festem Carbonat werden kann. Ein weiterer Ansatz ist die Reduktion des Gases mithilfe von Elektrokatalysatoren: „Weil CO2 ein erstaunlich stabiles Molekül ist, hat eine derartige Umwandlung des Gases in einen Feststoff bisher allerdings nur bei extrem hohen Temperaturen geklappt. Das ist energieintensiv und unwirtschaftlich“, sagt Torben Daeneke von der University of New South Wales in Sydney.

Abscheidung von Kohlenstoff aus CO2. © RMIT University

Aus Gas wird Feststoff

Aus diesem Grund haben der Forscher und seine Kollegen um Erstautorin Dorna Esrafilzadeh nun nach einer Möglichkeit gesucht, die Transformation des Treibhausgases zu optimieren – und waren tatsächlich erfolgreich. Für ihre Methode entwickelten die Wissenschaftler einen Flüssigmetallkatalysator mit ganz speziellen Eigenschaften. Dieser basiert auf Gallium-Legierungen, in die Nanopartikel des Seltenerdmetalls Cerium integriert sind. „Diese Nanopartikel scheinen den Katalyse-Prozess interessanterweise zu verbessern“, schreiben sie.

Damit die entscheidende Reaktion vonstattengehen kann, wird das Kohlendioxid zunächst in einer Elektrolytflüssigkeit gelöst, die geringe Mengen des Flüssigmetalls enthält. Legt man nun einen elektrischen Strom an, verwandelt sich das CO2 nach und nach in festes, kohlenstoffhaltiges Material.

„Effizienter Prozess“

Das Besondere: Wie das Forscherteam berichtet, läuft der Prozess bei Raumtemperatur ab und klappt schon bei geringen Spannungen. Außerdem lagert sich der entstehende Feststoff nicht an der Katalysatoroberfläche ab, sodass die Katalyseaktivität auch über einen längeren Zeitraum gleichbleibt.

Dank dieser Vorteile stellt die neue Methode einen wirkungsvollen und energieschonenden Weg für die CO2-Umwandlung dar, wie Daeneke erklärt: „Mithilfe von Flüssigmetallen als Katalysator haben wir gezeigt, dass es möglich ist, das Gas in einem effizienten Prozess in Kohlenstoff zu verwandeln. Zwar ist noch weitere Forschung nötig. Doch dies ist ein wichtiger erster Schritt hin zur Speicherung von CO2 in Form von solidem Carbon.“

Nützlicher Nebeneffekt

Doch nicht nur die CCS-Technologie könnte in Zukunft von dem nun entwickelten Verfahren profitieren: Die dabei produzierten Materialen eignen sich darüber hinaus zur Weiterverwendung für technische Anwendungen. „Ein nützlicher Nebeneffekt ist, dass der Kohlenstoff als Superkondensator fungieren kann“, sagt Esrafilzadeh. Er könne somit in Hochleistungsbatterien zum Einsatz kommen, die zum Beispiel als Komponenten in Elektrofahrzeugen genutzt werden.

Ein weiterer Pluspunkt: Werden bei der CO2-Umwandlung höhere Spannungen angelegt, entsteht außerdem Kohlenmonoxid (CO) – und auch dieser Stoff kann für die Industrie von Nutzen sein. So eignet sich Kohlenmonoxid beispielsweise als Ausgangsbasis für die Produktion von Chemikalien und synthetischen Treibstoffen, wie die Wissenschaftler betonen. (Nature Communications, 2019; doi: 10.1038/s41467-019-08824-8)

Quelle: RMIT University