An einer neuen Methode zur Herstellung von Methan durch einen innovativen Katalysator, der Strom nutzt, arbeiten Forschende mehrere Universitäten. 

 

Methan gilt als wichtiger Bestandteil von Erdgas und spielt eine zentrale Rolle in der Energieversorgung. Aus Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) wollen die Forschenden mehrerer Universitäten Methan (CH4) synthetisch herstellen. Mithilfe ihres eigens entwickelten Katalysators konnten die Forschenden eine Effizienz von über 80 Prozent bei der Methanproduktion erreichen, wie sie Anfang Oktober bekannt gegeben haben. Das bedeutet, dass kaum unerwünschte Nebenprodukte entstehen, was den Prozess für industrielle Anwendungen attraktiv macht.

Die Forscher nutzten hierzu eine sogenannte Gasdiffusions-Elektrode, um CO2 und Wasser zusammenzubringen. Dabei werden die Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff im CO2 geschwächt, sodass die Umwandlung in Methan durch die Anlagerung von Wasserstoffatomen eigenen Angaben nach effizient abläuft.
 
Laut der Wissenschaftler könnte dies der Energiewirtschaft neue Wege eröffnen: Methan, hergestellt mithilfe grünen Stroms, sei nahezu klimaneutral und als Heizstoff oder Rohstoff in der chemischen Industrie verwendbar. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Nebenreaktion möglichst vermeiden

Eine Herausforderung bei der elektrochemischen Methanherstellung besteht laut der Forscher darin, unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. Unter Spannung zersetze sich Wasser bevorzugt in Wasserstoff und Sauerstoff – eine Reaktion, die die Methanproduktion behindern würde. „Unsere Aufgabe bestand darin, das Wasser als Reaktionspartner bereitzuhalten, ohne dass es diese unerwünschte Reaktion eingeht“, erklärt Morgan McKee der Universität Bonn.

Der Schlüssel liege nun im neu entwickelten Katalysator, der das Wasser zwar für die Methanproduktion verfügbar macht, gleichzeitig aber unerwünschte Reaktionen verhindert. Dies gelingt durch spezielle hydrophobe Molekülketten, die an das aktive Zentrum des Katalysators gebunden sind. Diese Ketten stoßen Wasser ab, ermöglichen aber die gezielte Freisetzung von Wasserstoff, der für die Methanbildung benötigt wird. Zur Erklärung: „Hydrophob“ bedeutet „wasserabweisend“ und beschreibt die besondere Eigenschaft der Molekülketten. Sie halten Wasser von der Elektrode fern, während sie gleichzeitig die für die Methanbildung nötigen Wasserstoffatome zum aktiven Zentrum transportieren. 

Potenzial für die chemische Industrie

Obwohl der derzeit realisierte Katalysator noch nicht für die großtechnische Methanproduktion geeignet ist, sehen die Wissenschaftler in der Methode ein enormes Potenzial für die Weiterentwicklung in der chemischen Industrie. Insbesondere die Herstellung von Ethylen, einem Grundstoff für Kunststoffe, könnte von den Forschungsergebnissen profitieren. Die Forscher sehen hier langfristig die Möglichkeit, Kunststoffproduktionen umweltfreundlicher zu gestalten. Ethylen ist weltweit eine der wichtigsten chemischen Verbindungen, die in großen Mengen produziert wird.

Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern durchgeführt. Neben der Universität Bonn waren unter anderem Wissenschaftler aus Montreal (Kanada), Swansea (Wales), Bayreuth, Oulu (Finnland) und der Freien Universität Berlin beteiligt. Unterstützt wurde die Studie durch das „Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada“, das „Engineering and Physical Sciences Research Council“ sowie das Erasmus+-Programm der EU.

Der Artikel „Hydrophobic assembly of molecular catalysts at the gas-liquid-solid interface drives highly selective CO2 electromethanation“  lässt sich auf der Internetseite der Fachpublikation Nature Chemistry kostenpflichtig downloaden.