Grazer Forscher verwandelt CO2 in Treibstoff-Rohstoff

Johann Hlina betrachtet Kohlendioxid nicht nur als Klimaproblem, sondern auch als ungenutzten Rohstoff. Der Chemiker an der Universität Graz untersucht, wie sich Kohlenoxide wieder in Kohlenwasserstoffe umwandeln lassen – also in Ausgangsmaterial für Treibstoffe, Kunststoffe und Medikamente. Dabei setzt er auf Seltenerdmetalle als Katalysatoren.

Aus der Luft eines durchschnittlich großen Zimmers ließe sich rund tausend Stamperl CO2 herausfiltern. „Wenn man das umwandelt, dann hat man ein Stamperl Treibstoff“, erklärt Hlina. Der Chemiker sieht in dem unsichtbaren Gas einen Rohstoff, der meist ungenutzt in der Atmosphäre hängt.

Kohlenstoff aus der Luft zurückholen

Kohlendioxid enthält Kohlenstoff – einen der wichtigsten Bausteine der chemischen Industrie. Er findet sich in Treib- und Kunststoffen, Medikamenten, Lacken, Lösungsmitteln und unzähligen weiteren Produkten. Bisher stammt dieser Kohlenstoff meist aus fossilen Quellen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Er wird aus dem Boden geholt, verarbeitet, verbrannt und landet schließlich als Kohlendioxid in der Atmosphäre.

Die zentrale Frage lautet: Lässt sich dieser Kohlenstoff effizient zurückholen? Kann aus einem Abgas wieder ein Ausgangsstoff werden? „Das große Ziel ist, den industriellen Kohlenstoffkreislauf zu schließen“, sagt Hlina.

Vom stabilen Molekül zum Rohstoff

In seinem vom Wissenschaftsfonds FWF mit rund 405.000 Euro geförderten Projekt untersucht Hlina, wie sich Kohlenoxide in Kohlenwasserstoffe verwandeln lassen. Das Problem: CO2 ist sehr stabil. Man könne es sich wie Asche nach einem Feuer vorstellen, erklärt der Forscher – die Energie ist bereits herausgeholt, das Molekül am Ende eines Prozesses angekommen.

Um daraus wieder nützliche Stoffe zu machen, muss Energie hineingesteckt und das Molekül Schritt für Schritt umgebaut werden. Ein möglicher Weg führt über Kohlenmonoxid (CO). Es besteht ebenfalls aus Kohlenstoff und Sauerstoff, enthält aber weniger Sauerstoff als CO2. Für die Chemie kann es deshalb eine wichtige Zwischenstation sein.

Seltenerdmetalle als chemische Werkzeuge

Hlina interessiert sich dafür, wie sich Kohlenmonoxid so verändern lässt, dass daraus größere Moleküle entstehen können. Dafür müssen Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden – die Grundlage vieler Stoffe, die die chemische Industrie braucht.

Kohlenmonoxid ist aber kein loser Baustein. Es muss zuerst aktiviert werden, also so festgehalten, ausgerichtet oder verändert werden, dass eine neue Reaktion möglich wird. Dafür braucht die Chemie Katalysatoren – Helferstoffe, die Reaktionen in Gang bringen oder erleichtern, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Hlina arbeitet mit Metallkomplexen, in denen Metallatome eingebaut sind. Besonders spannend sind für ihn sogenannte mehrkernige Metallkomplexe. In ihnen arbeitet nicht nur ein Metallzentrum, sondern mehrere. Der Chemiker vergleicht das mit zwei Experten, die gemeinsam an ein Problem gesetzt werden: Jeder kann etwas anderes, zusammen kommen sie weiter als allein.

In der Chemie nennt man das kooperative Reaktivität. Mehrere Metallzentren wirken gemeinsam auf ein Molekül ein, halten es fest, bringen es in die richtige Position, schwächen bestimmte Bindungen und ermöglichen neue Verknüpfungen.

Warum Seltenerdmetalle?

Für diese Metallkomplexe verwendet Hlina Seltenerdmetalle. Der Name sei etwas irreführend, sagt der Chemiker: „Diese Metalle sind gar nicht so selten.“ Bekannt sind Seltenerdmetalle vor allem aus technischen Anwendungen – sie stecken in starken Magneten, in Generatoren von Windrädern, in Displays oder Speichermedien.

Hlina interessiert sich jedoch für eine andere Seite dieser Elemente: ihre Chemie. Seltenerdmetalle können Moleküle auf besondere Weise an sich binden und beeinflussen. Genau das könnte helfen, Kohlenmonoxid gezielt umzubauen. Sauerstoff muss entfernt oder durch Wasserstoff ersetzt werden, gleichzeitig müssen Kohlenstoffatome miteinander verknüpft werden.

Allerdings ist bei Seltenerdmetallen noch vieles offen. Während Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel oder Palladium in der Katalyse gut erforscht sind, ist der sogenannte f-Block des Periodensystems – zu dem auch Seltenerdmetalle zählen – weniger vertraut. Genau darin liegt für Hlina der Reiz: Er bewegt sich in einer Nische, die neue Möglichkeiten öffnen könnte.

Die Thermodynamik als Herausforderung

Bevor aus Möglichkeiten Anwendungen werden, muss die Chemie ein grundlegendes Problem lösen: Sie muss einen Prozess umkehren, der in der Natur von selbst in die andere Richtung läuft. Wenn Kohlenwasserstoffe verbrennen, wird Energie frei. Will man den Prozess umkehren, muss man Energie hineinstecken. „Die Thermodynamik sitzt einem im Nacken“, sagt Hlina.

Deshalb geht es in seinem Projekt nicht darum, die Naturgesetze auszutricksen, sondern die nötige Energie möglichst klug einzusetzen. Wenn die Chemie genau versteht, welche Zwischenschritte ablaufen und welche Metallzentren dabei welche Aufgabe übernehmen, können langfristig effizientere Verfahren entstehen.

Ein besonders spannendes Ziel wäre laut Hlina der Rohstoff Ethylen. Aus ihm entsteht etwa Polyethylen, einer der weltweit meistverwendeten Kunststoffe. Ethylen aus Kohlenoxiden herzustellen, wäre „eine sehr spannende Angelegenheit“, sagt der Forscher.

Fortschritte im Labor

Hlina und sein Team in Graz haben bereits Fortschritte beim Aufbau mehrkerniger Systeme gemacht – also bei Molekülen, in denen mehrere Metallzentren gezielt zusammenarbeiten sollen. Ein Fokus liegt derzeit auf Metallhydridverbindungen. Das sind Verbindungen, in denen Wasserstoff direkt an ein Metall gebunden ist.

Für Hlinas Forschung sind sie zentral, weil bei der Umwandlung von Kohlenoxiden Sauerstoff schrittweise durch Wasserstoff ersetzt werden soll. Genau solche Zwischenschritte muss man verstehen, wenn man irgendwann größere Reaktionen gezielt steuern will.

Hlina nennt seinen Beruf einen „Kreativjob“. Man plant Moleküle, baut sie im Labor auf, testet sie, verwirft Ideen, verfolgt neue Spuren. Nicht alles klappt, manches klappt anders als gedacht. „Man hat die eigenen Ideen und Vorstellungen und die werden natürlich auch wieder herausgefordert.“

Mehrere Wege statt einer Lösung

Hlinas Forschung könnte ein Baustein dafür sein, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und so auch gegen die Klimakrise zu wirken. Denn die chemische Industrie wird auch in Zukunft Kohlenstoff brauchen, ist Hlina überzeugt. Für manche Bereiche gibt es Alternativen, für andere nicht.

Umso wichtiger ist die Frage, woher dieser Kohlenstoff kommt: Aus fossilen Lagerstätten? Aus Biomasse? Aus abgeschiedenem Kohlendioxid? Aus Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt? Wahrscheinlich werde es nicht die eine Lösung geben, sondern mehrere Wege nebeneinander, vermutet der Chemiker.

Wichtig sei, jetzt dranzubleiben: „Es ist besser, wenn wir die Technologien entwickeln, während wir sie noch nicht brauchen“, sagt Hlina. Für ihn steht fest: Kohlendioxid ist nicht nur ein Problem, das in der Luft liegt. Es ist auch ein Hinweis darauf, wie viel Rohstoff bisher ungenutzt bleibt.

Das Projekt „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“ läuft von 2023 bis 2027. Neben der Umwandlung von Kohlenoxiden untersuchen Hlina und sein Team in Kooperation mit Partnern im In- und Ausland auch optische und magnetische Eigenschaften der Verbindungen – Bereiche, die für spätere Anwendungen interessant sein könnten.

Quelle: https://www.uni-graz.at/de/neuigkeiten/wie-aus-abgasen-rohstoff-werden-soll