Das Recycling von CO2, insbesondere durch Umsetzung zu Methan, gewinnt bei immer noch steigenden anthropogenen CO2-Emissionen an Interesse. Ein geeignetes Verfahren ist die photothermische Methanisierung, bei der CO2 und Wasserstoff unter Bestrahlung mit Sonnenlicht katalytisch in Methan und Wasser umgewandelt werden. In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet ein Forschungsteam jetzt über die Synthese eines hochaktiven, stabilen Nickel-Kohlenstoff-Katalysators für diese Reaktion.

Das Team um Luis Garzón-Tovar und Jorge Gascon von der King Abdullah University of Science and Technology (Thuwal, Saudi-Arabien) wollte einen effizienten, wirtschaftlichen Katalysator für die photothermische Methanisierung von Kohlendioxid entwickeln. Eine photothermische Katalyse basiert auf der Kombination lichtgetriebener und thermischer chemischer Prozesse. Im Vergleich zur reinen Photokatalyse bietet sie den Vorteil, dass auch längerwelliges Licht aus dem sichtbaren und IR-Bereich für die Reaktion genutzt werden kann.

Statt auf Edelmetallen sollte der neue Katalysator auf einem häufig vorkommenden, kostengünstigen Metall basieren. Die Wahl fiel auf Nickel, das in Form von Nanopartikeln in hoher Beladung auf einem Kohlenstoff-basierten Träger eingesetzt werden sollte. Kohlenstoff-Materialien sind aufgrund ihrer breitbandigen Lichtabsorption, hohen Effizienz bei der Umwandlung von Licht- in Wärmeenergie und ihrer großen Oberfläche vielversprechende Träger für die photothermische Katalyse.

Das Team wählte ein Nickel-haltiges Metall-organisches Gerüst (Ni-MOF-74) als Ausgangspunkt für die Herstellung des Katalysators. Dessen kontrollierte Pyrolyse bei 600 °C erwies sich als optimal. Ni-MOF-74 zerfällt dabei unter Bildung gleichmäßig feinst verteilter Nickel-Nanopartikel, die in eine poröse graphitische Kohlenstoff-Matrix eingebettet sind. Das erhaltene, als Ni@C bezeichnete Material zeigte eine hohe Umsatzrate und Selektivität bei der Methanisierung unter künstlicher Bestrahlung mit UV-, sichtbarem und IR-Licht. Im kontinuierlichen Prozess im Durchflussreaktor blieb die Leistung des Katalysators über einen Zeitraum von mehr als 12 Stunden stabil.

Als Machbarkeitsnachweis wurde ein Experiment im Freien unter natürlichem Sonnenlicht durchgeführt, der das Potenzial des neuen Katalysators zur Reduzierung von CO2 zu CH4 mittels Solarenergie belegen konnte.


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Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (11/2021)


Publikation:
https://doi.org/10.1002/ange.202111854