Ein neuer Weg zu klimaneutralem Methan

(WK-intern) – Ein wichtiger Schritt in der Materialforschung: Ein neuartiges Material kann aus Wasser und Kohlendioxid Methan erzeugen – als klimaneutraler Erdgas-Ersatz.

Erdgas spielt noch immer in vielen Industriebereichen eine wichtige Rolle – ist aber ein klimaschädlicher fossiler Brennstoff.

TU Wien und Universität Innsbruck entdeckten nun einen unerwarteten Reaktionspfad, mit dem man Erdgas (Methan, CH4) synthetisch herstellen kann – mit Hilfe von CO2, das man vorher aus Abgasströmen oder direkt aus der Luft gewonnen hat. So kann Methan insgesamt klimaneutral werden.

Um das zu erreichen, braucht man allerdings spezielle Materialien. Die Suche nach ihnen steht im Fokus des Forschungsprojekts MECS, einem österreichischen Cluster of Excellence, gefördert vom FWF. Nun gelang ein entscheidender Schritt: Man untersuchte Nickel auf Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid. Dieses Material ermöglicht in Kontakt mit Wasserdampf und Kohlendioxid eine komplizierte Kaskade chemischer Prozesse, die nun erstmals im Detail entschlüsselt werden konnte – und am Ende entsteht Methan.

Zwei Schritte auf einmal

„Die Idee, Kohlendioxid zu Produktgasen umzuwandeln, ist nicht neu“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Man kann Kohlendioxid aufspalten und dann mit Wasserstoff reagieren lassen. Allerdings ist dann die Frage: Woher kommt der Wasserstoff?“

Heute wird Wasserstoff zum Großteil aus fossilen Quellen gewonnen – man spricht dann von „schwarzem“ oder „grauem“ Wasserstoff. Ist man auf solchen Wasserstoff angewiesen, ist der Prozess insgesamt nicht klimaneutral. „Für uns vom Forschungscluster MECS war klar: Viel eleganter wäre es, einen Prozess zu entwickeln, der zwei Dinge gleichzeitig leistet: Erstens die Aufspaltung von Kohlendioxid, um Kohlenstoff bereitzustellen, und zweitens die Aufspaltung von Wasser, um gleichzeitig „grünen“ Wasserstoff bereitzustellen“, erklärt Günther Rupprechter. Aus Wasserstoff und Kohlenstoff lässt sich dann komplett erneuerbares Methan (CH4) bilden. In weiteren Schritten könnte man, wenn nötig, aus diesem Methan auch noch andere Substanzen erzeugen, etwa erneuerbare Flüssigtreibstoffe.

Zirkonoxid, der unterschätzte Star

„Jahrelang dachte man, für diesen chemischen Prozess sei hauptsächlich Nickel entscheidend“, sagt Bernhard Klötzer von der Universität Innsbruck. „Aber einige experimentelle Befunde schienen nicht ganz in dieses Bild zu passen. Wir wollten genau verstehen, was hier an der elektrochemisch aktiven Oberfläche geschieht.“

Um das herauszufinden, entwickelte das Team eine ganz spezielle poröse Modell-Elektrode aus Nickel auf Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid und analysierte sie mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Diese Technik erlaubt es, chemische Veränderungen direkt während des Prozesses in Echtzeit zu verfolgen.

Dabei erlebte man eine Überraschung: Das Zirkonoxid war eigentlich hauptsächlich deshalb verwendet worden, weil es durchlässig für Sauerstoffionen ist, und den Sauerstoff abtransportieren kann. „Aber wie sich zeigte, spielt Zirkonoxid hier eine viel aktivere Rolle als gedacht“, sagt Christoph Thurner (Uni Innsbruck), der Erstautor der aktuellen Studie. „Wenn wir elektrische Spannung anlegen, dann lagert sich zunächst Kohlenstoff auf den Nickel-Atomen ab – das hatten wir erwartet. Doch ein Teil dieses Kohlenstoffs wandert weiter auf die Zirkonoxid-Oberfläche, wo eine reaktive Kohlenstoff-Zirkoniumverbindung entsteht. Sobald geringe Mengen Wasserdampf mit dieser Verbindung in Kontakt kommen, reagiert sie noch einmal, und Methan wird gebildet.“

Sonnenstrom chemisch speichern

„Das dynamische Verhalten der Zirkonoxid-Oberfläche stellte sich als entscheidend heraus“, sagt Alexander Genest (TU Wien), der Simulationen durchführte. „Wir konnten zeigen, dass Methan auf einem bisher unbekannten Reaktionspfad entsteht, das öffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Elektrolysezellen. „Wir haben damit eine Möglichkeit, überschüssige elektrische Energie, die etwa an besonders sonnigen Tagen in der Photovoltaik anfällt, elektrochemisch zu nutzen und Methan zu erzeugen. Damit lässt sich Energie speichern, in Form von vielseitig einsetzbaren Brennstoffen, die sich problemlos längerfristig lagern lassen.“

PM: Technische Universität Wien