Mit einzelnen Atomen zu einer Chemie ohne fossile Rohstoffe

Vor jeder chemischen Reaktion steht eine H¨¹rde: Damit Stoffe miteinander reagieren k?nnen, muss zun?chst Energie zugef¨¹hrt werden. Oft ist diese Energieh¨¹rde klein, wie etwa beim Anz¨¹nden eines Streichholzes. Bei vielen f¨¹r die Industrie wichtigen Reaktionen ist sie allerdings gross, und ein gesteigerter Energiebedarf treibt die Herstellungskosten in die H?he. Um diese H¨¹rde zu verringern, setzen Chemiker:innen Katalysatoren ein. Die besten dieser Reaktionshelfer enthalten Metalle, darunter solche, die rar sind. 

Besser, sparsamer und weg vom Zufall 

Chemiker:innen der ETH Z¨¹rich haben jetzt in der Katalysatorforschung einen Durchbruch auf mehreren Ebenen erreicht: 

• Sie entwickelten einen Katalysator, der die Energieh¨¹rde bei der Herstellung von Methanol ¨C einem Alkohol ¨C aus dem Treibhausgas CO₂ und aus Wasserstoff deutlich senkt. 
• Die Forschenden verwenden in ihrem Katalysator das Metall Indium, und das ?usserst effizient: Jedes einzelne Indium-Atom wirkt als reaktionsaktive Stelle. 
• Fr¨¹her folgte die Katalysatorforschung oft dem Ansatz ?auf gut Gl¨¹ck?. Der neu entdeckte Katalysator erm?glicht eine pr?zisere Untersuchung der Mechanismen, die auf ihm ablaufen. Das macht den Weg frei zu einem rationalen Katalysator-Design. 

Das Schweizer Taschenmesser der gr¨¹nen Chemie 

?Methanol ist ein universeller Ausgangsstoff f¨¹r die Herstellung verschiedenster Chemikalien und Materialien, etwa Kunststoffen ¨C sozusagen das Schweizer Taschenmesser der Chemie?, sagt Javier P¨¦rez-Ram¨ªrez, Professor f¨¹r Katalysatoren-Engineering an der ETH Z¨¹rich. Die Fl¨¹ssigkeit ist deshalb zentral f¨¹r die Umstellung auf eine nachhaltige und fossilfreie Herstellung von chemischen Produkten und Treibstoffen. 

Wird die Energie f¨¹r die Produktion des Wasserstoffs und die Katalyse nachhaltig erzeugt, kann Methanol damit unter dem Strich sogar klimaneutral hergestellt werden. Das er?ffnet einen Weg, CO₂ aus der Atmosph?re als Rohstoff zu verwenden, statt es wie heute freizusetzen. 

Maximale Nutzung der Metalle 

?Unser neuer Katalysator hat soganennte Einzelatom-Architektur, bei der sich isolierte aktive Metallatome auf der Oberfl?che eines gezielt entwickelten Tr?germaterials verankert sind?, erkl?rt P¨¦rez-Ram¨ªrez. Im Gegensatz dazu liegen Metalle in konventionellen Katalysatoren meist als Aggregate vor, meist als kleine Partikel. Diese sind zwar winzig, enthalten aber oft Hundert bis mehrere Tausend Metallatome.  

Kein Wunder sind Einzelatom-Katalysatoren aktuell ein Top-Thema in der Katalysatorforschung. Sie stellen das Nonplusultra in Sachen Nutzungseffizienz von teuren und seltenen chemischen Elementen geht. Werden Metalle als einzelne Atome eingesetzt, kann selbst der Einsatz von teuren Edelmetallen wirtschaftlich rentabel werden. 

Wenn die Atome isoliert wirken k?nnen, ver?ndern sich zudem h?ufig ihre katalytischen Eigenschaften. ?Indium wird in diesem Katalysator bereits seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt?, sagt P¨¦rez-Ram¨ªrez. ?In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indium-Atome auf Hafniumoxid die CO₂-basierte Methanol-Synthese deutlich effizienter erm?glichen als Indium in Form von Nanopartikeln aus vielen Atomen.?  

Einzelne Atome am richtigen Platz 

Um einzelne Indium-Atome gezielt auf der Hafniumoxid-Oberfl?che zu verankern, entwickelte das interdisziplin?re ETH-Team zusammen mit Kollegen anderer Forschungseinrichtungen verschiedene Synthesewege. Entscheidend war dabei die spezifische Struktur des Tr?germaterials, die den Atomen eine stabile und zugleich reaktive Umgebung bietet. 

In einem gestesten Herstellungsverfahren werden die Ausgangsstoffe in einer Flamme bei 2000 bis 3000 Grad Celsius verbrannt und anschliessend rasch abgek¨¹hlt. Unter diesen Bedingungen bleibt das Indium bevorzugt an der Oberfl?che und wird dort stabil eingebunden.  

Mit dem Einbau der Katalysatoratome in einen hitzebest?ndigen Hafniumoxid-Tr?ger zeigen die ETH-Chemiker:innen, dass Einzelatom-Katalysatoren selbst unter extremen Bedingungen stabil bleiben k?nnen. Damit r¨¹cken auch Reaktionen in Reichweite, die hohe Temperaturen und Dr¨¹cke erfordern. F¨¹r die Synthese von Methanol aus CO₂ und Wasserstoffgas sind beispielsweise Temperaturen von bis zu 300 Grad n?tig und ein Druck von bis dem 50-fachen des normalen Luftdrucks.   

Katalysator-Metall und Matrix im Zusammenspiel 

Kommt dazu, dass die bisherigen Nanopartikel f¨¹r analytische Untersuchungen eine Black-Box waren. W?hrend die Katalyse-Vorg?nge nur an den wenigen Atomen auf der Oberfl?che abliefen, stammten viele Messsignale aus dem Inneren der Partikel ¨C von Atomen, die an der Reaktion gar nicht beteiligt waren. Das erschwerte die Interpretation. In Katalysatoren mit isolierten Atomen hingegen lassen sich hingegen die Reaktionsmechanismen mit viel weniger st?renden Signalen analysieren. 

P¨¦rez-Ram¨ªrez forscht seit 2010 nicht nur an der ETH an besseren Katalysatoren f¨¹r die Methanol-Herstellung aus CO₂. Er arbeitet auch eng mit der Industrie zusammen und h?lt mehrere Patente auf dem Gebiet. Entscheidend f¨¹r die Entwicklung der neuen Einzelatom-Katalysator-Methode war das grosse Netzwerk, das in der Schweiz in Sachen Katalysatorforschung in den letzten Jahren entstanden ist, so P¨¦rez-Ram¨ªrez: ?Die Entwicklung des Methanol-Katalysators und die detaillierte Analyse des Mechanismus w?re ohne dieses interdisziplin?re Knowhow nicht m?glich gewesen.?