Yale zeigt, wie Wasserstoff aus CO₂ ohne teure Edelmetalle gelingt

Speicherproblem der Energiewende: Yale-Studie zeigt, wie Wasserstoff ohne teure Edelmetalle gelingt

Ein stabiler Mangan-Katalysator macht Wasserstoff aus CO₂ praktikabler und arbeitet langlebiger als viele Systeme mit Edelmetallen.

Die Energiewende entscheidet sich nicht nur bei Stromerzeugung und Netzausbau, sondern auch in der Chemie. Dort stellt sich eine praktische Frage: Wie lässt sich Energie speichern, wenn Sonne und Wind ausbleiben? Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger, ist jedoch teuer in der Herstellung und schwer zu handhaben. Gleichzeitig wächst der Druck, Kohlendioxid nicht nur zu begrenzen, sondern als Rohstoff zu nutzen. Eine neue Studie aus den USA sucht nach Lösungen für diese Problematik.

Die Forschenden konzentrieren sich auf einen alten Grundstoff der Industrie: Ameisensäure. Sie entsteht aus dem Salz Formiat und lässt sich vergleichsweise einfach handhaben. Chemisch trägt sie Wasserstoff in gebundener Form. Wird sie gezielt zerlegt, lässt sich dieser Wasserstoff wieder freisetzen. Der Wasserstoff entsteht dabei aus CO₂, ohne dass das Gas selbst gespeichert werden muss.

Warum Wasserstoff aus CO₂ an der Chemie scheiterte

Die Umwandlung von Kohlendioxid in energiereiche Stoffe ist seit Langem bekannt. Im Labor funktioniert sie zuverlässig. Das Problem lag bislang in der Umsetzung. Für die Reaktion braucht es Katalysatoren, die Prozesse beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden. Besonders leistungsfähig waren Systeme auf Basis von Edelmetallen wie Ruthenium oder Iridium. Diese sind jedoch teuer, selten und gelten als problematisch in Förderung und Entsorgung.

Günstigere Metalle wie Eisen oder Mangan standen ebenfalls im Fokus. Ihre Katalysatoren zerfielen jedoch oft nach kurzer Zeit. Die Reaktion lief an, brach aber schnell wieder ab. Für industrielle Anwendungen reichte ihre Lebensdauer nicht aus. Mit diesem Problem befasste sich das Team aus Yale und Missouri.

Ein kleines Detail verlängert die Lebensdauer massiv

Die Studie beschreibt einen anderen Ansatz. Die Forschenden setzten auf Mangan, ein häufiges und preiswertes Metall. Der entscheidende Schritt lag nicht im Metall selbst, sondern in seiner chemischen Umgebung. Verändert wurden die Liganden, also die Moleküle, die das Metall im Katalysator umgeben.

Diese Liganden erhielten eine zusätzliche Bindungsstelle, die sich flexibel an das Mangan anheften und wieder lösen kann. Diese Beweglichkeit schützt den Katalysator vor dem Zerfall. Zu starre Bindungen blockieren die Reaktion, zu lockere bieten keinen Schutz. Die neue Struktur hält das notwendige Gleichgewicht.

„Kohlendioxid-Nutzung hat derzeit Priorität, weil wir erneuerbare chemische Rohstoffe brauchen, um fossile Ausgangsstoffe zu ersetzen“, sagt Chemieprofessor Nilay Hazari von der Yale University. Ziel sei es, bekannte Reaktionen robust genug für den Alltag zu machen.

So stark ist der neue Katalysator

Die Leistungsdaten der neuen Katalysatoren stechen hervor. Einzelne Mangan-Komplexe setzten Hunderttausende CO₂-Moleküle um, bevor sie ihre Aktivität verloren. Gleichzeitig lief die Reaktion sehr schnell. Solche Kombinationen galten bei günstigen Metallen lange als kaum erreichbar.

Konkret heißt das:

Metallbasis: Mangan statt teurer Edelmetalle
Reaktion: Umwandlung von Kohlendioxid in Formiat
Leistung: bis zu 158.000 Umsetzungen pro Stunde
Lebensdauer: bis zu 838.000 Umsetzungen pro Katalysator
Nutzen: Formiat dient als speicherbarer Wasserstoffträger

Diese Zahlen erklären, warum die Arbeit in der Fachwelt Aufmerksamkeit erhält. Sie zeigen, dass einfache Metalle Leistungen erreichen können, die bislang vor allem Edelmetallen vorbehalten waren.

Formiat als Brücke zwischen CO₂ und Energie

Formiat und seine protonierte Form Ameisensäure sind keine exotischen Stoffe. Die Industrie nutzt sie seit Jahrzehnten, etwa als Konservierungsmittel oder in der Lederverarbeitung. Bisher stammen sie fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen. Der neue Ansatz ändert das Ausgangsmaterial, nicht das Endprodukt.

Das bringt praktische Vorteile. Bestehende Anlagen ließen sich anpassen, statt neu gebaut zu werden. Zudem erlaubt Formiat eine indirekte Nutzung von Wasserstoff. Er entsteht erst dann, wenn er gebraucht wird. Das vereinfacht Transport und Lagerung erheblich.

„Es ist spannend zu sehen, dass das Ligandendesign so deutlich aufgeht“, sagt der Chemiker Justin Wedal, der an der Entwicklung beteiligt war. Die Stabilität sei der Schlüssel für alles Weitere.

Kurz zusammengefasst:

CO₂ kann in einen speicherbaren Stoff umgewandelt werden, der später Wasserstoff freisetzt und so Energie verfügbar macht, wenn Sonne und Wind fehlen.
Eine Studie der Yale University zeigt, dass dafür kein teures Edelmetall nötig ist: Ein Katalysator aus Mangan arbeitet länger und zuverlässiger als viele bisherige Lösungen.
Der entscheidende Fortschritt liegt im chemischen Aufbau, der den Katalysator stabil hält und Wasserstoff aus CO₂ erstmals mit günstigen Materialien realistisch macht.

Übrigens: China setzt in der Industrie dort auf Atomenergie, wo Wind und Sonne an Grenzen stoßen – ein neues Kernkraftprojekt liefert Prozesswärme statt Kohlestrom und senkt so massiv CO₂-Emissionen. Wie genau das funktioniert und welche Rolle Kernenergie dabei spielt, mehr dazu in unserem Artikel.