Recycling für Treibhausgase Stabile Alternative: Nanopartikel verhindern Verkokung von Katalysatoren

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Aus CO₂ und Methan kann man wertvolle Synthesegase herstellen – mit Katalysatoren, die bisher allerdings rasch an Wirkung verloren. An der TU Wien entwickelte man nun stabilere Alternativen.

Überall dort, wo man die Entstehung schädlicher Treibhausgase nicht verhindern kann, sollte man sie in etwas Nützliches umwandeln: Als „Carbon Capture and Utilization“ wird dieser Ansatz bezeichnet. Dafür sind spezielle Katalysatoren nötig. Bisher hatte man allerdings mit dem Problem zu kämpfen, dass sich auf diesen Katalysatoren rasch eine Schicht aus Kohlenstoff bildet, man spricht von verkoken, der Katalysator verliert dadurch seine Wirkung. An der TU Wien verfolgte man nun einen neuen Ansatz: Auf Perowskit-Kristallen erzeugten die Forscher durch spezielle Vorbehandlung winzige metallische Nanopartikel. Das Zusammenspiel aus Kristalloberfläche und Nanopartikeln sorgt dann dafür, dass die gewünschte chemische Reaktion stattfindet, ohne dass es zur gefürchteten Verkokung kommt.

Trockenreformierung: Aus Treibhausgasen wird Synthesegas

Kohlendioxid und Methan sind die beiden menschgemachten Treibhausgase, die den größten Anteil am Klimawandel haben. Oft treten beide Gase kombiniert auf, etwa in Biogasanlagen. „Die sogenannte Methan-Trockenreformierung ist eine Methode, mit der man beide Gase gleichzeitig in nützliche Synthesegase umwandeln kann“, sagt Prof. Christoph Rameshan vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Aus Methan und Kohlendioxid entstehen Wasserstoff und Kohlenmonoxid – und daraus lassen sich dann relativ einfach andere Kohlenwasserstoffe herstellen, bis hin zu Biotreibstoffen.“

Das große Problem dabei ist die Stabilität der Katalysatoren: „Die Metall-Katalysatoren, die man bisher für diesen Prozess verwendet hat, neigen dazu, winzige Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu produzieren“, erklärt Florian Schrenk, der in Rameshans Team derzeit an seiner Dissertation arbeitet. Diese Nanoröhrchen lagern sich als schwarzer Film an der Oberfläche des Katalysators ab und blockieren ihn.

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Perowskit-Kristalle als Schlüssel zum Erfolg

An der TU Wien entwickelte man nun einen Katalysator mit grundlegend anderen Eigenschaften: „Wir verwenden Perowskite, das sind sauerstoffhaltige Kristalle, die man mit verschiedenen Metallatomen dotieren kann“, sagt Christoph Rameshan. „Man kann etwa Nickel oder Kobalt in den Perowskit einfügen – Metalle, die auch bisher schon in der Katalyse verwendet wurden.“

Durch eine spezielle Vorbehandlung des Kristalls mit Wasserstoff bei rund 600 °C kann man erreichen, dass die Nickel- oder Kobaltatome an die Oberfläche wandern und dort Nanopartikel ausbilden. Entscheidend ist dabei ihre Größe: Erfolg hatte man mit Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 30 bis 50 Nanometern. An diesen winzigen Körnchen findet dann die gewünschte chemische Reaktion statt, gleichzeitig verhindert aber der Sauerstoff, der im Perowskit enthalten ist, die Ausbildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

„Wir konnten in unseren Experimenten zeigen: Wenn man die richtige Größe von Nanopartikeln wählt, dann kommt es zu keinen Kohlenstoff-Ablagerungen – das Verkoken ist dann keine Gefahr mehr“, sagt Florian Schrenk. „Außerdem sind die Nanopartikel stabil, die Struktur des Katalysators verändert sich nicht, er kann dauerhaft genutzt werden.“

Wichtiger Baustein für Bio-Raffinerie von morgen

Die neuartigen Perowskit-Katalysatoren könnten überall zum Einsatz kommen, wo gleichzeitig Methan und Kohlendioxid anfällt – das ist häufig der Fall, wenn man mit biologischen Substanzen zu tun hat, etwa in Biogasanlagen. Je nach gewählter Reaktionstemperatur kann man die Zusammensetzung des entstehenden Synthesegases beeinflussen. So könnte die Weiterverarbeitung klimaschädlicher Treibhausgase zu wertvollen Produkten ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft werden.

Originalpublikation: F. Schrenk et al., Impact of nanoparticle exsolution on dry reforming of methane: Improving catalytic activity by reductive pre-treatment of perovskite-type catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, 318, 121886 (2022). https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121886

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