Kohlendioxid (CO2) ist das am häufigsten vorkommende und am beständigsten emittierte Treibhausgas und der Haupttreiber des Klimawandels. Um die drängenden Probleme im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der Erschöpfung fossiler Brennstoffe anzugehen, suchen Wissenschaftler nach praktikablen Lösungen, die die Menge an CO2, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, minimieren können.
Eine attraktive Lösung für dieses Problem besteht darin, atmosphärisches CO2 in nützlichere Verbindungen umzuwandeln. Zu diesem Zweck wird Methanol – ein Rohstoff, Kraftstoffadditiv und Energieträger – als vielversprechende Umwandlungsoption für CO2 umfassend erforscht.
Während derzeit verschiedene Katalysatoren für CO2-Umwandlungsreaktionen verwendet werden, wurden die meisten von ihnen für den Einsatz unter Hochtemperatur- und -druckbedingungen entwickelt und untersucht. Dies ist aus mehreren Gründen eine schwerwiegende Einschränkung.
Erstens erfordert die Aufrechterhaltung solcher Bedingungen Energie und teure Eindämmungssysteme. Zweitens ist die CO2-Hydrierungsreaktion exotherm und verläuft daher günstiger bei niedrigeren Temperaturen. Drittens können hohe Temperaturen manchmal die Stabilität von Katalysatoren beeinträchtigen, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt. Schließlich ist die Umwandlungseffizienz bestehender heterogener Katalysatoren zur Katalyse solcher Umwandlungsreaktionen äußerst gering.
Vor diesem Hintergrund machte sich ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Hideo Hosono vom Tokyo Institute of Technology, Japan, daran, einen besseren Katalysator für die CO2-Hydrierung zu entwickeln. In ihrer Studie veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Societyberichten sie über die Entwicklung eines neuartigen intermetallischen Katalysators, der über einen einfachen Ammonolyseprozess durch Kombination von Palladium (Pd) und Molybdän (Mo) synthetisiert wurde.
Um diesen Katalysator zu synthetisieren, wandten die Forscher einen einfachen Ansatz an, der auf der Ammonolyse einer Oxidvorstufe basiert. Einfach ausgedrückt, kann die Ammonolyse verwendet werden, um Metalle zu kombinieren, indem Vorläufer wie Oxide oder Nitrate bei hohen Temperaturen mit Ammoniakgas gemischt werden. Ammoniak reagiert mit den Vorläufern unter Bildung von Zwischenkomplexen, sogenannten Metallamiden, die sich dann zersetzen, um die gewünschte intermetallische Verbindung zu bilden.
Mit verschiedenen Analysetechniken bestimmte das Team die Kristallstruktur des „h-PdMo“-Katalysators und untersuchte seine chemische und thermische Stabilität. Insbesondere fanden sie heraus, dass h-PdMo bei Temperaturen bis zu 400 °C stabil war und sich an der Luft nicht zersetzte. „Diese Art von Robustheit ist sehr wichtig, wenn man die Praktikabilität eines Katalysators betrachtet“, bemerkt Prof. Hosono.
Als nächstes bewerteten die Forscher die Leistung von h-PdMo für die CO2-Hydrierung unter verschiedenen Bedingungen. Bei einer Temperatur von 100 °C war der Katalysator in der Lage, über 100 Stunden lang kontinuierlich Methanol ohne nennenswerte Anzeichen von Abbau zu produzieren. Darüber hinaus war die Leistung von h-PdMo bei Raumtemperatur (25 °C) und unter relativ niedrigem Druck bemerkenswert.
Prof. Hosono erläutert die Ergebnisse weiter und sagt: „Bei einem Druck von 0,9 MPa erreichte unser Katalysator eine Umwandlungseffizienz, die mit der von hochmodernen heterogenen Katalysatoren vergleichbar oder sogar höher ist, die eine ähnliche Umsatzeffizienz unter höheren Bedingungen aufweisen -Druckverhältnisse im Bereich von 4 bis 5 MPa.“
Zusammenfassend haben die Forscher einen sehr aktiven und stabilen Katalysator für die CO2-Hydrierung bei Raumtemperatur entwickelt, der über einen einfachen Prozess synthetisiert werden kann. Prof. Hosono schließt mit den Worten: „Unsere Entdeckung bietet eine Grenze für die Katalysatorentwicklung, nicht nur für die Methanolsynthese bei niedriger Temperatur und CO2-Umwandlungsreaktionen, sondern auch für andere durch Pd katalysierte Reaktionen.“
Mehr Informationen:
Hironobu Sugiyama et al, Raumtemperatur-CO2-Hydrierung zu Methanol über luftstabilem intermetallischem hcp-PdMo-Katalysator, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.2c13801