Katalysator macht Treibhausgas zum Energieträger

Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben einen wichtigen Beitrag zur Energiewende geleistet, die neben neuen Energiequellen auch effiziente Speicher- und Transportlösungen erfordert. Sie entwickelten einen neuartigen Katalysator, der in der Lage ist, das zentrale Treibhausgas Kohlendioxid (CO2​) in Methan umzuwandeln. Dieses Methan dient als vielseitiger Energieträger und kann unmittelbar in die bestehenden Erdgasnetze eingespeist werden. Der Katalysator zeichnet sich dabei durch günstige Herstellungsweise, hohe Langlebigkeit und eine Leistung, die industrielle Materialien übertrifft, aus.

Power-to-Gas: CO₂ in Methan speichern

Das dieser Entwicklung zugrunde liegende Power-to-Gas (PtG)-Konzept ermöglicht die Speicherung von erneuerbarer Energie in chemischer Form. Dazu erzeugen Forschende zunächst mithilfe von elektrischem Strom Wasserstoff, der anschließend mit CO2​ reagiert wird, um das Endprodukt Methan zu gewinnen. „Unter realen Bedingungen schwankt dabei die Reaktionszusammensetzung durch wechselnde Stromzufuhr aus Wind- und Solarenergie. Daher brauchen wir Katalysatoren, die auch unter variablen Bedingungen zuverlässig arbeiten“, sagt Professor Malte Behrens von der CAU, der das Kieler Teilprojekt im DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2080 leitet.

Dieses interdisziplinäre Projekt bündelt Kompetenzen aus Chemie, Physik, Materialwissenschaft und dem Ingenieurwesen. Ganz im Sinne des CAU-Forschungsschwerpunkts „Kiel Nano, Surface and Interface Science“ (KiNSIS) verfolgen die Forschenden den Ansatz, Materialien von ihrer atomaren Struktur bis zur technischen Anwendung zu untersuchen und darauf aufbauend zielgerichtet weiterzuentwickeln.

Nanostruktur sorgt für Effizienz

Das Kieler Team übertrug ein bewährtes chemisches Prinzip auf den neuen Katalysator: Sie kombinierten die Elemente Nickel und Magnesium präzise auf atomarer Ebene. Durch eine gemeinsame Kristallisation entsteht zunächst eine feste Lösung. Erst kurz vor der eigentlichen Reaktion im Reaktor findet eine Entmischung dieser Verbindung statt. Dabei entstehen winzige Nickelpartikel. Das begleitende Magnesiumoxid erfüllt dabei eine doppelte Funktion: Es stabilisiert die Nickelpartikel und gewährleistet gleichzeitig, dass CO2​ besonders effektiv adsorbiert wird.

„Diese nanoskalige Struktur ist entscheidend“, sagt Erstautorin Anna Wolf. „Die Nickelpartikel bleiben gleichmäßig verteilt, und das Magnesiumoxid unterstützt die Methanproduktion erheblich.“ Der Katalysator liefert beeindruckende Ergebnisse: Bereits bei der vergleichsweise niedrigen Temperatur von 260 °C wandelt er große CO2​-Mengen in Methan um. Die praktische Leistungsfähigkeit ist bemerkenswert: Ein Kilogramm des Katalysatormaterials kann in knapp einer Woche genügend Methan erzeugen, um ein Einfamilienhaus ein ganzes Jahr lang zu beheizen.

Vom Labor zur industriellen Anwendung

Das Team führt den Erfolg auf eine die Optimierung aller Syntheseschritte zurück. „Am Anfang stand die Idee, ein bewährtes Konzept auf ein neues Materialsystem zu übertragen“, sagt Behrens. „Dass unser Katalysator nun industriell eingesetzte Materialien übertrifft, zeigt die Bedeutung systematischer Grundlagenforschung.“ Die Forschenden übertragen die Laborergebnisse auf den industriellen Maßstab und testen den Katalysator unter realen PtG-Bedingungen gemeinsam mit Kooperationspartnern an der Universität Hamburg.

Quelle

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (10/2025)