Fast kein CO₂ mehr: Chinesisches Verfahren macht Kohleverarbeitung überraschend sauber

Seit fast hundert Jahren arbeitet die chemische Industrie mit demselben Grundprinzip. Die Fischer-Tropsch-Synthese wandelt Synthesegas – ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff – in flüssige Kohlenwasserstoffe um, die als Grundlage für Kraftstoffe und wichtige Chemierohstoffe dienen.

Der Prozess gilt als zuverlässig, verschwendet aber viel Kohlenstoff. Ein erheblicher Anteil endet als CO₂ im Abgas. In chinesischen Laboren haben Chemiker nun gezeigt, dass sich dieser Verlust nahezu vermeiden lässt – mit einer minimalen Änderung im Reaktionsgas, wie die South China Morning Post berichtet.

Statt große Anlagen umzubauen, reicht eine Spur eines Zusatzstoffs. Eine in Science veröffentlichte Studie zeigt, dass bereits eine sehr kleine Menge Brommethan im Synthesegas den Reaktionsverlauf verändert. Der Kohlenstoff bleibt dabei überwiegend im Produkt gebunden, statt als CO₂ zu entweichen. Gleichzeitig steigt die Ausbeute jener Stoffe, die in der Industrie besonders gefragt sind.

Wie CO₂-arme Chemie aus Kohle entsteht

Es geht um Olefine – ungesättigte Kohlenwasserstoffe, aus denen Kunststoffe, Verpackungen, synthetischer Kautschuk und viele Medikamente hergestellt werden. Produziert werden sie häufig aus Synthesegas, das aus kohlenstoffreichen Rohstoffen wie Kohle gewonnen wird. Seit Jahrzehnten kommen dabei eisenbasierte Katalysatoren zum Einsatz.

Das Team um Ma Ding von der Peking-Universität untersuchte, warum diese Katalysatoren so viel Kohlendioxid erzeugen. Die Ursache liegt in mehreren Nebenreaktionen auf der Eisenoberfläche. Wasser spaltet sich, Sauerstoffatome verbinden sich erneut mit Kohlenmonoxid – und CO₂ entsteht. Diese Reaktionswege kosten Kohlenstoff und senken die Ausbeute.

Warum Brommethan Nebenreaktionen unterdrückt

Die Forscher wählten einen ungewöhnlich einfachen Ansatz. Sie mischten dem Synthesegas Brommethan in extrem geringer Konzentration bei – nur 20 Teile pro Million. Die Bromatome lagern sich an aktive Stellen des Eisenkarbid-Katalysators an und verändern dessen Oberflächenstruktur.

Messungen zeigen, dass dadurch mehrere unerwünschte Prozesse gebremst werden. Wasser zerfällt langsamer, Sauerstoff rekombiniert seltener mit Kohlenmonoxid, und Olefine werden weniger stark weiterhydriert. Die Studie fasst diesen Effekt so zusammen: „Die Zugabe geringster Mengen halogenhaltiger Verbindungen unterdrückt die Bildung von CO₂ und steigert die Selektivität für Olefine deutlich.“

Die Arbeiten entstanden unter Beteiligung des Chemikers Wen Xiaodong vom Institut für Kohlechemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er verweist darauf, dass bereits Spuren von Brom ausreichen, um die Reaktionsoberfläche dauerhaft zu verändern. „Es ist wie eine kleine Prise Gewürz“, sagt Wen. „Sie sorgt dafür, dass der gewünschte Geschmack erhalten bleibt und nichts verbrennt.“

Von 30 Prozent CO₂ auf unter ein Prozent

Die Auswirkungen sind deutlich messbar. In herkömmlichen Verfahren entweichen rund 30 Prozent des Kohlenstoffs als Kohlendioxid. Mit Brommethan sinkt dieser Wert auf unter ein Prozent. Gleichzeitig steigt der Anteil der gewünschten Olefine auf etwa 85 Prozent aller kohlenstoffhaltigen Produkte. Ohne Zusatzstoff lag er bei rund 23 Prozent.

Auch die Produktivität profitiert. Pro eingesetzter Menge Synthesegas entstehen deutlich mehr verwertbare Moleküle. Der Katalysator arbeitete in den Versuchen mehr als 450 Stunden stabil. Die Autoren sprechen von einem robusten und übertragbaren Ansatz für bestehende eisenbasierte Systeme.

Ein zweiter Weg zur effizienteren Synthesegas-Nutzung

Parallel dazu beschreibt eine weitere Studie einen anderen Zugang. Das Team um Gao Chang entwickelte einen Eisenkarbid-Katalysator mit einer Oxidschale und Natrium-Zusatz. Diese Struktur koppelt mehrere Reaktionen direkt im Reaktor.

Auch hier sinkt die Menge an Kohlendioxid und Wasser deutlich. Gleichzeitig steigt die Ausbeute an Olefinen und flüssigen Kohlenwasserstoffen. Auffällig ist die hohe Wasserstoff-Ökonomie: Mehr Wasserstoffatome verbleiben im Produkt, statt verloren zu gehen. Beide Studien verfolgen dasselbe Ziel, nutzen jedoch unterschiedliche chemische Mechanismen.

Keiner der Ansätze macht Kohle klimaneutral. Förderung, Aufbereitung und spätere Nutzung der Produkte verursachen weiterhin Emissionen. Die Arbeiten zeigen jedoch, wie viel Kohlendioxid bislang allein durch ineffiziente Reaktionswege entsteht.

Kurz zusammengefasst:

• Ein neues Verfahren senkt bei der Fischer-Tropsch-Synthese den CO₂-Ausstoß drastisch: Durch die Zugabe von nur 20 ppm Brommethan sinkt der CO₂-Anteil von rund 30 Prozent auf unter ein Prozent, während deutlich mehr Kohlenstoff im Produkt bleibt.
• Die Ausbeute wichtiger Chemierohstoffe steigt stark: Der Anteil wertvoller Olefine wächst von etwa 23 auf rund 85 Prozent, der Katalysator arbeitet dabei über mehr als 450 Stunden stabil – ohne Umbau bestehender Anlagen.
• Zwei Science-Studien zeigen dasselbe Prinzip: Präzise Eingriffe auf der Katalysatoroberfläche vermeiden ineffiziente Nebenreaktionen und machen die Kohlechemie deutlich effizienter, aber nicht klimaneutral.

Übrigens: Während neue Chemieprozesse Kohle sauberer machen, zeigt eine Studie aus China, dass schon ein Schuss Wasser im Diesel Stickoxide und Feinstaub drastisch senken kann – ganz ohne neue Motoren. Wie das funktioniert und wo die Grenzen liegen, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild © Tobixen via Wikimedia unter CC BY-SA 3.0