Karlsruher Institut für Technologie Graphen als Klimaretter?

Kohlendioxid und Wasserstoff reagieren mithilfe eines Kupfer-Palladium-Katalysators zu Graphen.
Kohlendioxid und Wasserstoff reagieren mithilfe eines Kupfer-Palladium-Katalysators zu Graphen.

Kohlendioxid kennt die Allgemeinheit wegen seines klimaerwärmenden Effekts. Es kann aber auch ein nützlicher Ausgangsstoff sein. Eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) etwa nutzt Kohlendioxid als Basis, um Graphen zu synthetisieren.

Um den Ausstoß von Kohlendioxid in die Atmosphäre zu verringern, suchen Wissenschaftler nach alternativen Energieträgern. Ein möglicher anderer Weg ist es, CO2 als Ausgangsstoff für die Synthese von Wertstoffen zu sehen und somit in den wirtschaftlichen Verwertungskreislauf – unter Umständen sogar gewinnbringend – wiedereinzuführen.

Ein Vorbild dafür findet sich in der Natur: Bei der Fotosynthese in den Blättern von Pflanzen entsteht aus Licht (Energie), Wasser und Kohlendioxid wieder Biomasse, und der natürliche Stoffkreislauf ist geschlossen. In dem Prozess ist es die Aufgabe des 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, haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun einen Prozess vorgestellt, in dem CO2 und Wasserstoff mithilfe von speziell präparierten, katalytisch aktiven Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu +1000 °C direkt in Graphen überführt wird. »Wenn die Metalloberfläche das richtige Verhältnis von Kupfer und Palladium aufweist, konnten wir Kohlendioxid in einem einfachen einstufigen Prozess in Graphen umwandeln«, erklärt Professor Mario Ruben vom Arbeitskreis Molekulare Materialien am Institut für Nanotechnologie und am Institut für Anorganische Chemie des KIT.

In weiteren Experimenten gelang es den Forschern sogar, das Graphen mit mehreren Schichten Dicke herzustellen, wie es für mögliche Anwendungen in Batterien, elektronischen Bauteilen oder Filtermaterialien interessant sein könnte. 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, die ultraschnelle und energieeffiziente Berechnungen ermöglichen, aber nicht auf der binären Logik heutiger Computer fußen.

Originalpublikation:

C. Molina-Jirón, et al.: Direct Conversion of CO2 to Multi-Layer Graphene using Copper-Palladium Alloys, 2019. DOI: 10.1002/cssc.201901404