Kohlendioxid-Recycling

Vom Treibhausgas zur Plastiktüte?

Von Manfred Lindinger
 - 15:55

Kohlendioxid hat einen schlechten Ruf, wird es doch maßgeblich für die rasant fortschreitende Klimaerwärmung verantwortlich gemacht. Allein durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Kohle und Erdgas gelangen pro Jahr schätzungsweise fast vierzig Milliarden Tonnen des Treibhausgases in die Atmosphäre. Gefragt sind daher wirkungsvolle Maßnahmen, um den Ausstoß von Kohlendioxid zu drosseln und dessen Konzentration in der Atmosphäre zu verringern.

Wie CO2 bereits genutzt wird

In diesem Zusammenhang gewinnt die direkte Nutzung von Kohlendioxid (CO2) für chemische Synthesen zunehmend an Bedeutung. Schon jetzt ist die dreiatomige Verbindung eine wichtige Quelle für Kohlenstoff. Mehrere Millionen Tonnen des Gases nutzt man pro Jahr allein zur Produktion von Harnstoff, der wiederum als Düngemittel gebraucht oder zu Kunstharzen weiterverarbeitet wird. Es laufen zahlreiche Pilotprojekte, in denen Kohlendioxid großtechnisch in synthetische Treibstoffe umgewandelt wird.

Vielen Wissenschaftlern ist das aber noch nicht genug. Sie wollen das Treibhausgas direkt in industriell wertvolle Kohlenwasserstoffe überführen, etwa in Ethylen (C2H4). Ein elegantes und effizientes Verfahren zur Ethylen-Herstellung präsentieren jetzt Chemiker von der University of Toronto in der Zeitschrift „Science“. Es basiert auf der Elektrolyse. Als Energiequelle nutzen Ted Sargent und seine Kollegen Sonnenlicht. Das Kohlendioxid führen sie von außen zu. Ethylen ist ein wichtiger Ausgangsstoff in der Kunststoffindustrie.

Aus dem einfachen Kohlenwasserstoff lassen sich Polyethylen, Polyvenylchlorid (PVC), Polyester und andere Polymere herstellen. Außerdem wird Ethylen dazu genutzt, Obst und Gemüse schon während des Transports reifen zu lassen, damit es frisch beim Händler ankommt. Im industriellen Maßstab wird Ethylen bisher aus dem Rohöldestillat Naphta durch Erhitzen auf 850 Grad gewonnen. Die langkettigen Kohlenwasserstoffe zerfallen in viele kleinere Moleküle, darunter Ethylen. Dabei entstehen auch eine Reihe unerwünschter Nebenprodukte, so auch das Treibhausgas Kohlendioxid.

Der komplizierte Reduktionsprozess

Schon länger sucht man nach einem weniger energieintensiven Verfahren, bei der möglichst kein Kohlendioxid entsteht. Von großem Vorteil wäre es, könnte man das Gas selbst zur Herstellung von Ethylen nutzen und so recyclen. Diesem Ziel sind die Chemiker um Sargant einen großen Schritt näher gekommen.

Die Forscher hatten wie alle, die versuchen, Kohlendioxid in eine andere Substanz umzuwandeln, eine grundlegende Hürde zu überwinden. Das dreiatomige Molekül ist äußerst stabil und reaktionsträge. Damit Kohlendioxid überhaupt reagieren kann, muss man es reduzieren, wobei man den Sauerstoff durch Wasserstoff ersetzt. Auf diesem Weg erhält man einfache Kohlenwasserstoffe wie Methan, Methanol oder Ameisensäure.

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Kohlendioxid als RohstoffHer mit dem CO2

Die Herstellung von Ethylen gestaltet sich freilich schwieriger, weil hier zwei Kohlenstoffatome zusammenfinden müssen. Der Reduktionsprozess ist komplexer. Es bedarf hoher Temperaturen oder spezieller Elektrokatalysatoren, die die Reaktion in Gang setzen. Für Letzteres haben sich die Forscher um Sargent entschieden. Der Katalysator bildete zugleich die Kathode der elektrochemischen Zelle. Das Kohlendioxid ließen die Forscher über die Elektrode in die elektrochemische Zelle einströmen. Den Strom lieferte eine Solarzelle.

Forscher haben Zuversicht

Als optimaler Reaktionsbeschleuniger erwies sich ein Gemenge von nanometergroße Partikeln aus Kupfer und aus Kohlenstoff. Das Material zeigte bessere katalytische Eigenschaften als blankes Kupfer. Zudem erwies es sich als deutlich stabiler. Will man Kohlendioxid in einer elektrochemischen Zelle in Ethylen umwandeln, benötigt man eine möglichst basische wässrige Lösung. Diese greift jedoch das Kupfer an, so dass in früheren Versuchen die katalytische Wirkung des Metalls schon nach wenigen Stunden nachließ und die Ethylenproduktion entsprechend sank. Dank der Nanopartikel konnte man die Ethylenproduktion für mehr als hundert Stunden aufrechterhalten. Mehrere Gramm der Substanz konnten die Forscher innerhalb weniger Stunden auf diese Weise produzieren, ohne dass dabei andere Kohlenwasserstoffe entstanden.

Die Effizienz ihres Prozesses beziffern die Forscher mit 34 Prozent. Der Wert sei mit dem Wirkungsgrad vergleichbar, den man bei der elektrochemischen Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid erzielt, den ersten Schritt bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. Die Forscher sind daher zuversichtlich, dass sich das Verfahren auch zur großtechnischen Produktion von Ethylen oder noch höherwertigere Kohlenwasserstoffen eignet.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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