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Kohlendioxid als Rohstoff

Wie aus dem Klimasünder Plastik wird

Von Manfred Lindinger
Aktualisiert am 30.11.2019
 - 11:06
Kohlendioxid entsteht durch Verkehr und Industrien aller Art. Jetzt soll aus dem Treibhausgas ein Nutzen gezogen werden.
Kohlendioxid zu Kunststoff umwandeln? Schwierig und teuer, aber nicht unmöglich. Wie das verpönte Treibhausgas von der Plastikindustrie genutzt werden könnte, hat man jetzt in Nordamerika gezeigt.

Kohlendioxid treibt als Treibhausgas in der Luft den Klimawandel an, in der Industrie aber ist es in größeren Konzentrationen von schon unschätzbarem Wert - als Rohmaterial. Jetzt haben Forscher einen Weg gefunden, das Kohlendioxid zumindest noch effizienter als bisher auf elektrochemischem Weg in Ethylen – einen für die Kunststoffindustrie wertvollen Ausgangsstoff – umzuwandeln. Zu verdanken ist das einem verbesserten Katalysator, den Chemiker von der University of Toronto und vom Caltech in Pasadena in der Zeitschrift „Nature“ vorstellen.

Aus dem einfachen Kohlenwasserstoff Ethylen (C₂H₄) lassen sich Polyethylen, Polyvinylchlorid (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 große Mengen an Kohlendioxid, chemisch CO₂.

Reduktionsprozess im Wasserglas

Schon länger sucht man nach 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. Die Forscher um Ted Sargent hatten wie alle, die versuchen, CO₂ 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.

Weil bei der Herstellung von Ethylen zwei Kohlenstoffatome zusammenfinden müssen, ist der Reduktionsprozess noch komplexer. Es bedarf hoher Temperaturen oder spezieller Elektrokatalysatoren, die die Reaktion in Gang setzen. Für Letzteres haben sich die Forscher um Sargent entschieden. Ihr Katalysator bildet zugleich die Kathode der elektrochemischen Zelle. Das Kohlendioxid lässt man von außen über die Elektrode in die elektrochemische Zelle einströmen. Den Strom lieferte eine Solarzelle.

Auf dem Weg zum grünen Kunststoff?

Als optimaler Reaktionsbeschleuniger hat sich eine mit einer speziellen Pyridin-Verbindung beschichtete Kupferelektrode erwiesen. Das Material zeigte in den Versuchen deutlich bessere katalytische Eigenschaften als blankes Kupfer. Zudem lief die Reaktion in einer chemisch neutralen wässrigen Lösung ab. An der Oberfläche des Katalysators reagierte CO₂ mit Wasser, wobei hauptsächlich Ethylen und Sauerstoff entstand. Die Effizienz des Prozesses konnten die Forscher gegenüber früheren Experimenten auf 72 Prozent steigern.

Die Ethylenproduktion ließ sich nach Aussagen der Forscher so fast 200 Stunden lang aufrechterhalten. Weil man Kupfer auch großflächig mit der Pyridin-Verbindung beschichten kann, und sich so große Katalysatoren und Elektroden herstellen lassen, sind die Forscher zuversichtlich, dass sich das Verfahren auch ökonomisch zur großtechnischen Produktion von Ethylen oder für noch hochwertigere Kohlenwasserstoffen eignet. Kunststoffe könnten auf diese Weise möglicherweise eines Tages umweltfreundlich und ressourcenschonend produziert werden.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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