Forscher verwandeln Abgas in Treibstoff – neuer Katalysator macht aus CO₂ den Rohstoff für E-Fuels

Kohlenstoffdioxid gehört zu den größten Verursachern der Erderwärmung. Es entsteht bei Industrieprozessen, der Stromerzeugung und im Verkehr. In der Atmosphäre reichert es sich über Jahrzehnte an – bisher ohne einfache Möglichkeit, es wieder sinnvoll zu nutzen. Eine neue Entwicklung aus Südkorea könnte das nun ändern: Ein Forschungsteam hat einen Katalysator gebaut, der CO₂ in Treibstoff umwandeln könnte – deutlich günstiger und energieeffizienter als bisher.

Wissenschaftler vom Korea Institute of Energy Research (KIER) berichten, dass ihre Reaktion bereits bei 400 °C funktioniert. Herkömmliche Verfahren benötigen meist das Doppelte an Temperatur. Der Katalysator wandelt CO₂ in Kohlenmonoxid um – ein wichtiger Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels. Edelmetalle sind dafür nicht nötig.

Neuer Katalysator spart Energie und Kosten

Das Forschungsteam setzt auf eine Mischung aus Kupfer, Magnesium und Eisen. Diese drei Metalle sind nicht nur günstig und weltweit verfügbar, sie wirken im Verbund auch besonders stabil und reaktiv:

• Kupfer bildet die aktive Oberfläche für die CO₂-Umwandlung
• Magnesium und Eisen verbessern die Bindung der CO₂-Moleküle und stabilisieren die Struktur

Die Ergebnisse im Labor sind beeindruckend:

• CO-Ausbeute: 33,4 Prozent – bei nur 400 °C
• Produktionsrate: 223,7 Mikromol CO pro Gramm Katalysator und Sekunde
• Stabilität: über 100 Stunden Dauereinsatz mit kaum messbarem Leistungsverlust

Ein herkömmlicher Kupferkatalysator verlor unter denselben Bedingungen rund 60 Prozent seiner Aktivität. Der neue Werkstoff blieb nahezu konstant.

CO₂ wird direkt in Treibstoff umgewandelt

Die Reaktion läuft über einen sogenannten Redoxmechanismus. Dabei wird das CO₂ direkt gespalten – ohne störende Zwischenprodukte wie Methan oder Formiat, die bei anderen Prozessen auftreten können.

Die Forscher analysierten die Abläufe mithilfe von Infrarotspektroskopie. Schon nach einer Minute begann die Produktion von Kohlenmonoxid. Voraussetzung: Der Katalysator wird regelmäßig mit Wasserstoff regeneriert. Dann bleibt der Prozess stabil und effektiv. Besonders gut funktionierte der Katalysator bei einem Verhältnis von Kupfer zu Magnesium von 1:1.

Nanostrukturen entscheiden über die Reaktivität

Die Metalle im Katalysator sind in einer sogenannten LDH-Struktur (Layered Double Hydroxide) angeordnet. Diese sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der aktiven Partikel – ein entscheidender Faktor für die Reaktionsgeschwindigkeit. Kupfer tritt dabei in zwei Formen auf:

• Fein verteilte Teilchen – aktiv an der CO-Produktion beteiligt
• Größere Aggregate – weitgehend inaktiv

Nur durch die präzise Steuerung der Materialstruktur mit der LDH-Methode lässt sich ein hoher Anteil der aktiven Kupferpartikel erreichen. Das verbessert die Effizienz.

Eine Herausforderung blieb das sogenannte „Coking“ – also die Bildung von Kohlenstoffablagerungen auf der Katalysatoroberfläche. Laut Studie trat dieses Problem nur in kontrollierbarem Ausmaß auf. Verantwortlich dafür könnte freiliegendes Eisen sein. Die Kupferpartikel blieben dagegen selbst nach 100 Stunden durchgehend aktiv.

Elektronentransfer stärkt die Katalyse

Ein Grund für die hohe Wirksamkeit liegt im Zusammenspiel von Kupfer und Eisen. Beide Stoffe tauschen während der Reaktion Elektronen aus – so entsteht ein stabiler Kreislauf, der die Umwandlung von CO₂ in Kohlenmonoxid beschleunigt und den Prozess insgesamt stabil hält.

Die Kombination aus gezieltem Elektronentransfer, stabiler Struktur und günstigen Rohstoffen macht das System interessant für industrielle Anwendungen.

Neuer Katalysator für synthetischen Treibstoff

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine effektive CO-Produktion mit günstigen und weit verbreiteten Metallen möglich ist“, sagt Projektleiter Dr. Kee Young Koo. Der Katalysator könne ein Baustein für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe werden – etwa für Flugzeuge, Schiffe oder Industrien, die schwer elektrifizierbar sind.

Statt CO₂ nur abzuscheiden oder zu speichern, könnte es künftig als Rohstoff dienen – und damit vom Klimakiller zum Energielieferanten werden.

Kurz zusammengefasst:

• Ein neu entwickelter Katalysator wandelt CO₂ direkt in einen Ausgangsstoff für die Treibstoffherstellung um und macht damit aus einem Klimaproblem eine Energiequelle.
• Das Material aus Kupfer, Magnesium und Eisen arbeitet schon bei 400 °C, bleibt über 100 Stunden stabil und kommt ohne teure Edelmetalle aus.
• Die Reaktion folgt einem effizienten Redoxmechanismus, der Nebenprodukte vermeidet und durch präzise Nanostrukturen besonders effektiv abläuft.

Übrigens: Elektroautos starten mit einem CO₂-Rucksack – gleichen ihn aber nach zwei Jahren wieder aus. Mehr zur Klimabilanz von Stromern in unserem Artikel.

Bild: © KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH