Mit einzelnen Atomen zu einer Chemie ohne fossile Rohstoffe

In der Wissenschaft wird intensiv nach Wegen gesucht, chemische Reaktionen mithilfe von Katalysatoren effizienter zu gestalten, wobei besonders der Einsatz seltener Metalle minimiert werden soll. ETH-Chemiker:innen ist hierbei ein Durchbruch gelungen: Durch die Platzierung einzelner, isolierter Indium-Atome auf einem Trägermaterial haben sie einen Katalysator entwickelt, der CO2 und Wasserstoff hocheffizient in Methanol umwandelt. Da Methanol als Basis für zahlreiche Produkte wie Kunststoffe und Treibstoffe dient, legt diese Methode den Grundstein für eine fossilfreie chemische Industrie.

Hintergrund dieser Forschung ist die energetische Hürde, die jeder chemischen Reaktion bevorsteht. Während diese Barriere beim Entzünden eines Streichholzes gering ausfällt, ist sie bei vielen industriell relevanten Prozessen so hoch, dass der enorme Energiebedarf die Herstellungskosten massiv steigert. Um diese Hürde zu senken, greift die Chemie auf Katalysatoren zurück, deren leistungsfähigste Varianten oft auf seltenen Metallen basieren.

Besser, sparsamer und weg vom Zufall

Die Chemiker:innen der ETH Zürich haben in der Katalysatorforschung einen Durchbruch auf mehreren Ebenen erreicht:

• Sie entwickelten einen Katalysator, der die Energiehürde bei der Herstellung von Methanol – einem Alkohol – aus dem Treibhausgas CO2 und aus Wasserstoff deutlich senkt.
• Die Forschenden verwenden in ihrem Katalysator das Metall Indium, und das äusserst effizient: Jedes einzelne Indium-Atom wirkt als reaktionsaktive Stelle.
• Früher folgte die Katalysatorforschung oft dem Ansatz „auf gut Glück“. Der neu entdeckte Katalysator ermöglicht eine präzisere Untersuchung der Mechanismen, die auf ihm ablaufen. Das macht den Weg frei zu einem rationalen Katalysator-Design.

Ein Schweizer Taschenmesser der grünen Chemie

Laut Professor Javier Pérez-Ramírez ist Methanol ein universeller Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedenster Chemikalien und Materialien wie Kunststoffen – „sozusagen das Schweizer Taschenmesser der Chemie“. Aufgrund dieser Vielseitigkeit nimmt die Flüssigkeit eine zentrale Rolle bei der Umstellung auf eine nachhaltige, fossilfreie Produktion von chemischen Gütern und Kraftstoffen ein. Sofern die Energie für die Wasserstoffgewinnung und die Katalyse aus regenerativen Quellen stammt, lässt sich Methanol bilanziell klimaneutral fertigen. Dieser Prozess ermöglicht es zudem, atmosphärisches CO2 als wertvollen Rohstoff zu binden, anstatt es emittieren zu müssen.

Maximale Nutzung der Metalle

Der neue Katalysator nutzt eine innovative Einzelatom-Architektur, bei der isolierte aktive Metallatome fest auf der Oberfläche eines spezialisierten Trägermaterials verankert sind. Pérez-Ramírez erklärt: „Unser neuer Katalysator hat sogenannte Einzelatom-Architektur, bei der sich isolierte aktive Metallatome auf der Oberfläche eines gezielt entwickelten Trägermaterials verankert sind.“ Während herkömmliche Katalysatoren Metalle meist in Form von Aggregaten oder winzigen Partikeln aus hunderten bis tausenden Atomen einsetzen, markieren Einzelatom-Katalysatoren aktuell die Spitze der Forschung.

Sie gelten als das Nonplusultra der Ressourceneffizienz, da die gezielte Nutzung einzelner Atome selbst den Einsatz seltener und teurer Edelmetalle wirtschaftlich rentabel macht. Durch diese atomare Isolation verändern sich zudem die katalytischen Eigenschaften grundlegend. Obwohl Indium bereits seit über zehn Jahren in diesem Bereich genutzt wird, betont Pérez-Ramírez den Fortschritt der neuen Methode: „In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indium-Atome auf Hafniumoxid die CO2-basierte Methanol-Synthese deutlich effizienter ermöglichen als Indium in Form von Nanopartikeln aus vielen Atomen.“

Einzelne Atome am richtigen Platz

Um einzelne Indium-Atome gezielt auf der Hafniumoxid-Oberfläche zu verankern, entwickelte ein interdisziplinäres ETH-Team gemeinsam mit Partnern verschiedene Synthesewege, wobei die spezifische Struktur des Trägermaterials den Atomen eine zugleich stabile und reaktive Umgebung bietet. In einem der getesteten Verfahren werden die Ausgangsstoffe in einer Flamme bei 2000 bis 3000 Grad Celsius verbrannt und anschließend rasch abgekühlt, wodurch das Indium bevorzugt an der Oberfläche verbleibt und dort stabil eingebunden wird.

Durch diesen Einbau in einen hitzebeständigen Hafniumoxid-Träger belegen die ETH-Chemiker:innen, dass Einzelatom-Katalysatoren selbst unter extremen Bedingungen ihre Stabilität bewahren. Dies rückt chemische Reaktionen in greifbare Nähe, die hohe Temperaturen und Drücke erfordern, wie etwa die Synthese von Methanol aus CO2​ und Wasserstoffgas, die bei bis zu 300 Grad und dem 50-fachen des normalen Luftdrucks abläuft.

Katalysator-Metall und Matrix im Zusammenspiel

Bisherige Nanopartikel glichen in analytischen Untersuchungen oft einer Black-Box, da die Katalyse zwar nur an den wenigen Oberflächenatomen stattfand, die Messsignale jedoch maßgeblich von unbeteiligten Atomen aus dem Inneren der Partikel beeinflusst wurden. Dies erschwerte die Interpretation der Vorgänge erheblich, wohingegen Katalysatoren mit isolierten Atomen eine Analyse der Reaktionsmechanismen mit deutlich weniger störenden Signalen ermöglichen.

Pérez-Ramírez, der seit 2010 an der ETH an optimierten Katalysatoren für die Methanol-Herstellung aus CO2​ forscht, arbeitet dabei eng mit der Industrie zusammen und hält mehrere Patente auf diesem Gebiet. Für den Erfolg der neuen Einzelatom-Methode war laut Pérez-Ramírez vor allem das in den letzten Jahren in der Schweiz gewachsene Forschungsnetzwerk entscheidend: „Die Entwicklung des Methanol-Katalysators und die detaillierte Analyse des Mechanismus wäre ohne dieses interdisziplinäre Knowhow nicht möglich gewesen.“

Quelle

ETH Zürich (03/2026)