Kohlendioxid gilt als Klimaproblem. Es kann aber auch Rohstoff sein.

(WK-intern) – Der Grazer Chemiker Johann Hlina untersucht, wie sich Kohlenoxide wieder in Kohlenwasserstoffe verwandeln lassen – also in Ausgangsmaterial für Treibstoffe, Kunststoffe und Medikamente. Helfen sollen dabei Seltenerdmetalle.

Rund tausend Stamperl Kohlendioxid. So viel CO2 würde zusammenkommen, wenn man den unsichtbaren, geruchlosen Stoff aus der Luft eines durchschnittlich großen Zimmers herausfiltern und als Gas sammeln könnte.

„Das ist eine ganz schöne Menge, das kann man sich sonst gar nicht so vorstellen“, sagt Johann Hlina, „wenn man das umwandelt, dann hat man ein Stamperl Treibstoff.“ Der Chemiker von der Universität Graz sieht in Kohlendioxid nicht nur ein Klimaproblem, sondern auch einen Rohstoff, der meist ungenutzt in der Luft hängt.

Bekannt ist CO2 vor allem, weil es die Erde erwärmt. Es enthält aber auch Kohlenstoff – einen der wichtigsten Bausteine unserer Welt. Er steckt in Treib- und Kunststoffen, Medikamenten, Lacken, Lösungsmitteln und unzähligen Produkten der chemischen Industrie. Bisher stammt dieser Kohlenstoff meist aus fossilen Quellen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Er wird aus dem Boden geholt, verarbeitet, verbrannt und landet am Ende als Kohlendioxid in der Atmosphäre.

Die Frage ist: Kann man diesen Kohlenstoff effizient zurückholen? Kann man aus einem Abgas wieder einen Ausgangsstoff machen? „Das große Ziel ist, den industriellen Kohlenstoffkreislauf zu schließen“, sagt Hlina.

Zwei Metalle, ein Molekül
In dem vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“ untersuchen Hlina und sein Team, wie sich Kohlenoxide in Kohlenwasserstoffe verwandeln lassen. Das ist allerdings schwierig, denn CO2 ist sehr stabil. Man kann es sich wie Asche nach einem Feuer vorstellen: Die Energie ist schon herausgeholt, das Molekül ist am Ende eines Prozesses angekommen.

Will man daraus wieder nützliche Stoffe machen, muss man Energie hineinstecken und das Molekül Schritt für Schritt umbauen. Ein möglicher Weg führt über Kohlenmonoxid, kurz CO. Es besteht ebenfalls aus Kohlenstoff und Sauerstoff, enthält aber weniger Sauerstoff als CO2. Für die Chemie kann es deshalb eine wichtige Zwischenstation sein: noch kein fertiger Rohstoff, aber ein Molekül, mit dem sich weiterarbeiten lässt. Genau hier setzt Hlina an. Ihn interessiert, wie sich Kohlenmonoxid so verändern lässt, dass daraus größere Moleküle entstehen können. Dafür müssen Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden. Solche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind die Grundlage vieler Stoffe, die die chemische Industrie braucht.

Chemische Werkzeuge für schwierige Moleküle

Kohlenmonoxid ist aber kein loser Baustein, den man beliebig an andere Moleküle stecken kann. Es muss zuerst aktiviert werden. Das bedeutet: Das Molekül muss so festgehalten, ausgerichtet oder verändert werden, dass eine neue Reaktion möglich wird. Dafür braucht die Chemie Katalysatoren, also Helferstoffe.

Sie bringen Reaktionen in Gang oder machen sie leichter, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Man kann sie sich wie Werkzeuge auf einer Werkbank vorstellen: Sie halten ein Molekül fest, bringen es in die richtige Lage und machen bestimmte Umbauten möglich. In der Industrie sind Katalysatoren unverzichtbar. Diese Verfahren funktionieren zwar, brauchen aber viel Energie. Neue Katalysatoren könnten solche Prozesse im besten Fall sparsamer machen.

Hlina arbeitet dafür mit Metallkomplexen, also Molekülen, in denen Metallatome eingebaut sind. Besonders spannend für ihn sind sogenannte mehrkernige Metallkomplexe. In ihnen arbeitet nicht nur ein Metallzentrum, sondern mehrere. Der Chemiker beschreibt das mit einem Bild: Es ist, als würde man zwei Expert:innen gemeinsam an ein Problem setzen. Jede:r kann etwas anderes, zusammen kommen sie weiter als allein.

In der Chemie nennt man das kooperative Reaktivität. Mehrere Metallzentren wirken gemeinsam auf ein Molekül ein. Sie halten es fest, bringen es in die richtige Position, schwächen bestimmte Bindungen und ermöglichen neue Verknüpfungen.

Warum Seltenerdmetalle helfen könnten
Für diese Metallkomplexe verwendet Hlina Seltenerdmetalle. Der Name klingt nach kostbaren Exoten, aber: „Er ist etwas irreführend, diese Metalle sind gar nicht so selten“, sagt der Chemiker. Seltenerdmetalle kennt man vor allem aus technischen Anwendungen: Sie stecken in starken Magneten, in Generatoren von Windrädern, in Displays oder Speichermedien. Hlina interessiert sich jedoch für eine andere Seite dieser Elemente: ihre Chemie.

Seltenerdmetalle können Moleküle auf besondere Weise an sich binden und beeinflussen. Genau das könnte helfen, Kohlenmonoxid gezielt umzubauen. Dafür muss aber einiges passieren: Sauerstoff muss entfernt oder durch Wasserstoff ersetzt werden. Gleichzeitig müssen Kohlenstoffatome miteinander verknüpft werden. Seltenerdmetalle könnten dabei helfen, diese schwierigen Schritte besser zu kontrollieren.

Allerdings ist bei Seltenerdmetallen noch vieles offen. Während Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel oder Palladium in der Katalyse gut erforscht sind, ist der sogenannte f-Block des Periodensystems – zu dem auch Seltenerdmetalle zählen – weniger vertraut. Auch in der Ausbildung komme dieser Bereich oft zu kurz, erzählt Hlina. Genau darin liegt für ihn der Reiz. Er bewegt sich in einer Nische, die neue Möglichkeiten öffnen könnte.

Auch über die Umwandlung von Kohlenoxiden hinaus werfen die Verbindungen Fragen auf. In Kooperation mit Partnern im In- und Ausland untersuchen Hlina und sein Team etwa optische und magnetische Eigenschaften – Bereiche, die für spätere Anwendungen interessant sein könnten.

Die Thermodynamik im Nacken
Doch bevor aus Möglichkeiten Anwendungen werden, muss die Chemie ein grundlegendes Problem lösen: Sie muss einen Prozess umkehren, der in der Natur von selbst in die andere Richtung läuft. Dabei geht es vor allem um Energie. Denn wenn Kohlenwasserstoffe verbrennen, wird Energie frei. Will man den Prozess umkehren, muss man Energie hineinstecken. Oder, wie Hlina sagt: „Die Thermodynamik sitzt einem im Nacken.“ Deshalb geht es in seinem Projekt nicht darum, die Naturgesetze auszutricksen. Es geht darum, die nötige Energie möglichst klug einzusetzen. Wenn die Chemie genau versteht, welche Zwischenschritte ablaufen und welche Metallzentren dabei welche Aufgabe übernehmen, können langfristig effizientere Verfahren entstehen.
Ein besonders spannendes Ziel wäre laut Hlina zum Beispiel der Rohstoff Ethylen. Aus ihm entsteht etwa Polyethylen, einer der weltweit meistverwendeten Kunststoffe. Ethylen aus Kohlenoxiden herzustellen, wäre „eine sehr spannende Angelegenheit“, sagt Hlina.

Was im Labor schon gelingt
Hlina und sein Team in Graz haben bereits Fortschritte beim Aufbau mehrkerniger Systeme gemacht, also bei Molekülen, in denen mehrere Metallzentren gezielt zusammenarbeiten sollen. Ein Fokus liegt derzeit auf Metallhydridverbindungen. Das sind Verbindungen, in denen Wasserstoff direkt an ein Metall gebunden ist. Für Hlinas Forschung sind sie zentral, weil bei der Umwandlung von Kohlenoxiden Sauerstoff schrittweise durch Wasserstoff ersetzt werden soll. Genau solche Zwischenschritte muss man verstehen, wenn man irgendwann größere Reaktionen gezielt steuern will.
Hlina nennt seinen Beruf einen „Kreativjob“. Man plant Moleküle, baut sie im Labor auf, testet sie, verwirft Ideen, verfolgt neue Spuren. Nicht alles klappt. Manches klappt anders als gedacht. Genau das mache die Arbeit spannend. „Man hat die eigenen Ideen und Vorstellungen und die werden natürlich auch wieder herausgefordert.“

Ein kleiner Beitrag zu einem großen Problem
Hlinas Forschung könnte ein kleiner Baustein dafür sein, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen und so auch gegen die Klimakrise zu wirken. Denn die chemische Industrie wird auch in Zukunft Kohlenstoff brauchen, ist Hlina überzeugt. Für manche Bereiche gibt es Alternativen, für andere nicht. Umso wichtiger ist die Frage, woher dieser Kohlenstoff kommt. Aus fossilen Lagerstätten? Aus Biomasse? Aus abgeschiedenem Kohlendioxid? Aus Kohlenmonoxid als Zwischenprodukt? Wahrscheinlich werde es nicht die eine Lösung geben, sondern mehrere Wege nebeneinander, vermutet der Chemiker.

Wichtig sei, jetzt dranzubleiben: „Es ist besser, wenn wir die Technologien entwickeln, während wir sie noch nicht brauchen“, sagt Hlina. Am Ende ist sein Projekt eine Geschichte über Umkehrung. Aus Verbrennung soll wieder Aufbau werden. Aus Abgas ein Ausgangsstoff. Aus Kohlenmonoxid ein Baustein für größere Moleküle. Eins steht für Hlina fest: Kohlendioxid ist nicht nur ein Problem, das in der Luft liegt. Es ist auch ein Hinweis darauf, wie viel Rohstoff wir bisher ungenutzt lassen.

Über den Forscher
Johann Hlina ist Chemiker an der Universität Graz. In seinem vom Wissenschaftsfonds FWF mit rund 405.000 Euro geförderten Projekt „Seltenerdkatalysierte Reduktion von Kohlenmonoxid“ (2023–2027) untersucht er, wie Kohlenoxide mithilfe von Seltenerdmetallen in Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden können. Im Zentrum stehen mehrkernige Metallkomplexe, kooperative Reaktivität und die Frage, wie sich zentrale Schritte in Richtung energiesparender und ressourcenschonender Industrieprozesse besser verstehen lassen.

PM: FWF

PB: Forschende in Graz wollen aus umweltschädlichem CO2 vielseitig verwendbare Kohlenwasserstoffe herstellen, um nachhaltige Rohstoffe für die Industrie zu gewinnen und gegen die Klimakrise anzukämpfen. / ©: Maria Lupan/unsplash