Kohlendioxid gilt vor allem als Treibhausgas. Zugleich enthält es Kohlenstoff, einen zentralen Baustein für Treibstoffe, Kunststoffe, Medikamente, Lacke, Lösungsmittel und weitere Produkte der chemischen Industrie. An der Universität Graz untersucht der Chemiker Johann Hlina, wie sich Kohlenoxide wieder in Kohlenwasserstoffe umwandeln lassen könnten.
Das vom Wissenschaftsfonds FWF geförderte Projekt „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“ läuft von 2023 bis 2027 und ist laut Angaben mit rund 405.000 Euro dotiert. Ziel ist es, grundlegende Reaktionsschritte besser zu verstehen, die langfristig für ressourcenschonendere Industrieprozesse relevant sein könnten.
Kohlenstoffkreislauf als Forschungsziel
Der in industriellen Produkten genutzte Kohlenstoff stammt derzeit häufig aus fossilen Quellen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Nach Verarbeitung und Nutzung gelangt er vielfach als Kohlendioxid in die Atmosphäre. Hlina formuliert die Forschungsfrage entsprechend grundlegend: „Das große Ziel ist, den industriellen Kohlenstoffkreislauf zu schließen.“
Die chemische Herausforderung liegt darin, stabile Moleküle wie CO2 wieder in reaktionsfähige Ausgangsstoffe zu überführen. Ein möglicher Zwischenschritt ist Kohlenmonoxid, kurz CO. Es enthält weniger Sauerstoff als CO2 und kann in der Chemie als Ansatzpunkt dienen, um Kohlenstoffatome miteinander zu verbinden. Solche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind Grundlage vieler organischer Verbindungen.
Seltenerdmetalle als mögliche Werkzeuge
Es ist kompliziert, doch Chemiker Johann Hlina hat ein Ziel vor Augen. Über Kohlenmonoxid will er Kohlenoxide ressourcenschonend in Kohlenwasserstoff umwandeln. (Bild: Julia Stöllinger/Universität Graz)
Hlina und sein Team arbeiten mit Metallkomplexen, also Molekülen, in denen Metallatome eingebunden sind. Im Fokus stehen mehrkernige Metallkomplexe, bei denen mehrere Metallzentren gemeinsam auf ein Molekül einwirken. In der Chemie wird dies als kooperative Reaktivität bezeichnet.
Für diese Komplexe werden Seltenerdmetalle eingesetzt. Der Begriff sei laut Hlina allerdings missverständlich: „Er ist etwas irreführend, diese Metalle sind gar nicht so selten.“ Bekannt sind Seltenerdmetalle unter anderem aus Magneten, Windgeneratoren, Displays oder Speichermedien. Im Projekt geht es jedoch um ihre chemischen Eigenschaften.
Die Metalle könnten dabei helfen, Kohlenmonoxid gezielt umzubauen. Dafür müssen Sauerstoffatome entfernt oder durch Wasserstoff ersetzt und zugleich Kohlenstoffatome verknüpft werden. Während Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel oder Palladium in der Katalyse gut erforscht sind, ist der f-Block des Periodensystems, zu dem Seltenerdmetalle zählen, nach Angaben aus dem Projekt weniger umfassend erschlossen.
Energiebedarf bleibt zentrale Hürde
Die Umwandlung von Kohlenoxiden in Kohlenwasserstoffe ist energetisch anspruchsvoll. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wird Energie frei; die Umkehrung dieses Prozesses erfordert Energiezufuhr. Hlina beschreibt diese Grenze mit den Worten: „Die Thermodynamik sitzt einem im Nacken.“
Das Projekt zielt daher nicht auf eine unmittelbare industrielle Anwendung, sondern auf ein besseres Verständnis der Reaktionsmechanismen. Wenn klarer wird, welche Zwischenschritte ablaufen und welche Metallzentren welche Aufgaben übernehmen, könnten daraus langfristig effizientere Verfahren entstehen.
Als potenziell interessantes Ziel nennt Hlina etwa Ethylen. Aus diesem Rohstoff wird unter anderem Polyethylen hergestellt. Ethylen aus Kohlenoxiden zu gewinnen, wäre nach Einschätzung des Chemikers „eine sehr spannende Angelegenheit“.
Fortschritte bei mehrkernigen Systemen
Im Labor konnten Hlina und sein Team laut Angaben bereits Fortschritte beim Aufbau mehrkerniger Systeme erzielen. Derzeit liegt ein Schwerpunkt auf Metallhydridverbindungen, bei denen Wasserstoff direkt an ein Metall gebunden ist. Diese Verbindungen sind für die Forschung relevant, weil bei der Umwandlung von Kohlenoxiden Sauerstoff schrittweise durch Wasserstoff ersetzt werden soll.
Neben der Reduktion von Kohlenoxiden werden in Kooperationen mit Partnern im In- und Ausland auch optische und magnetische Eigenschaften der Verbindungen untersucht. Mögliche spätere Anwendungen werden im Ausgangsmaterial nicht konkretisiert.
Ein Baustein für künftige Kohlenstoffquellen
Die chemische Industrie wird auch künftig Kohlenstoff benötigen. Offen bleibt, aus welchen Quellen dieser Kohlenstoff langfristig stammen soll: aus fossilen Lagerstätten, Biomasse, abgeschiedenem Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt. Hlina geht davon aus, dass nicht eine einzelne Lösung ausreichen wird, sondern mehrere Wege parallel entwickelt werden müssen.
Der Forscher betont den zeitlichen Vorlauf solcher Grundlagenarbeit: „Es ist besser, wenn wir die Technologien entwickeln, während wir sie noch nicht brauchen.“
Zum Projekt
- Forscher: Johann Hlina, Universität Graz
- Projekt: „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“
- Fördergeber: Wissenschaftsfonds FWF
- Laufzeit: 2023 bis 2027
- Fördervolumen laut Angaben: rund 405.000 Euro
- Forschungsschwerpunkte: Seltenerdmetalle, mehrkernige Metallkomplexe, kooperative Reaktivität, Umwandlung von Kohlenoxiden in Kohlenwasserstoffe
Weitere Informationen finden Sie unter: www.fwf.ac.at
Quelle: Österreichischer Wissenschaftsfonds FWF