Hightech statt „Klimakiller“: KIT-Forschern gelingt direkte Reaktion von CO2 zu Graphen

Die chemische Verbindung Kohlendioxid kennt die Allgemeinheit als Teil der Ausatemluft und seit kurzem auch als vermeintliches Treibhausgas. Allerdings kann Kohlendioxid auch ein nützlicher Ausgangsstoff für chemische Reaktionen sein. Über eine solche ungewöhnliche Einsatzmöglichkeit berichtet nun eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift ChemSusChem. Sie nutzt Kohlendioxid als Ausgangstoff, um das derzeit sehr intensiv untersuchte Technologiematerial Graphen herzustellen.

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl liefert Energie für Strom, Wärme und Mobilität, aber führt auch zum Anstieg der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre. Diese Kausalkette motiviert Wissenschaftler alternative Energieträger zu suchen, aber auch alternative Nutzungsformen für Kohlendioxid zu finden.

Eine Möglichkeit könnte sein, Kohlendioxid als günstigen Ausgangsstoff für die Synthese von Wertstoffen zu sehen und somit in den wirtschaftlichen Verwertungskreislauf wiedereinzuführen.

Verwertung statt Abfall: CO2-Recycling nach dem Vorbild der Natur

Ein Vorbild dafür findet sich in der Natur. Bei der Photosynthese in den Blättern von Pflanzen entsteht aus Licht, Wasser und Kohlendioxid wieder Biomasse und der natürliche Stoffkreislauf ist geschlossen. In dem Prozess ist es die Aufgabe des metallbasierten Enzyms RuBisCo, das Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen und für die weiteren chemischen Reaktionen in der Pflanze nutzbar zu machen.

Von dieser metallenzymbasierten natürlichen Umwandlung inspiriert, stellen nun Forscher am KIT einen Prozess vor, in dem Kohlendioxid und Wasserstoff mit Hilfe von speziell präparierten, katalytisch aktiven Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius direkt in das Technologiematerial Graphen überführt wird.

Kohlendioxid (rot-schwarz) und Wasserstoff (grau) reagieren auf Kupfer-Palladium Oberflächen katalytisch zum Technologiematerial Graphen (schwarzes Gitter). Foto: E. Moreno-Pineda, KIT

Katalysator statt Klebeband: direkte Umwandlung von CO2 zu Graphen möglich

Graphen ist die zweidimensionale Form des chemischen Elementes Kohlenstoff, welches interessante elektrische Eigenschaften aufweist und daher für zukünftige, neuartige Elektronikbauteile in Frage kommt. Seine Entdeckung und Handhabbarmachung im Jahre 2004 führte zu weltweiter, intensiver Forschung. Seine Entdecker Andre Geim und Konstanin Novoselov erhielten dafür 2010 den Nobelpreis für Physik. Die beiden nahmen das Graphen händisch per Klebeband von einem Block Graphit ab.

Eine Zusammenarbeit mehrerer Arbeitsgruppen am KIT stellt nun in der Fachzeitschrift ChemSusChem eine Methode vor, Graphen mittels einem Metal-Katalysator aus Kohlendioxid und Wasserstoff abzuscheiden. „Wenn die Metalloberfläche das richtige Verhältnis von Kupfer und Palladium aufweist, findet die Umwandlung von Kohlendioxid zu Graphen direkt in einem einfachen einstufigen Prozess statt“, erklärt der Leiter der Studie. Dr. Mario Ruben ist Professor am Institut für Nanotechnologie (INT) und Mitglied des Arbeitskreises Molekulare Materialien am KIT.

In weiteren Experimenten gelang es den Forschern sogar, das Graphen mit mehreren Schichten Dicke herzustellen. Erst in dieser Form ist es für mögliche Anwendungen in Batterien, elektronischen Bauteilen oder Filtermaterialien interessant. Das nächste Forschungsziel der Arbeitsgruppe ist es nun, aus dem gewonnen Graphen funktionierende elektronische Bauteile zu formen. Kohlenstoffmaterialien wie Graphen und magnetische Moleküle könnten die Bausteine für zukünftige Quantencomputer sein. Diese können ultraschnelle und energieeffiziente Berechnungen ermöglichen, da sie nicht auf der binären Logik heutiger Computer fußen. (KIT/ts)