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Artikel-ServicesKohlendioxidVom Klimakiller zum Rohstoff

Von Uta Bilow

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28. November 2009Wenn in zwei Wochen die Klimakonferenz in Kopenhagen beginnt, wird es wieder im Mittelpunkt stehen: das Gas Kohlendioxid. Durch menschliche Aktivitaumlten gelangen jaumlhrlich fast dreiszligig Milliarden Tonnen (Gigatonnen) des Treibhausgases in die Atmosphaumlre und tragen so zum Klimawandel bei. Diese Emissionen muumlssen drastisch vermindert werden, will man den weiteren Anstieg des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphaumlre drosseln. Geplant ist unter anderem, Kohlendioxid einzufangen und in unterirdischen Lagerstaumltten zu speichern.

Doch das als Klimakiller gebrandmarkte Gas laumlsst sich auch auf andere Weise der Atmosphaumlre entziehen. Chemiker untersuchen schon seit langem, wie sich Kohlendioxid nutzen laumlsst, um daraus wertvolle Substanzen zu erzeugen. Mit hundert Millionen Euro will das Bundesforschungsministerium nun diese Forschungsaktivitaumlten foumlrdern. Unter dem Motto “Technologien fuumlr Nachhaltigkeit und Klimaschutz” soll in den kommenden fuumlnf Jahren die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid vorangetrieben werden.

Von Brennstoffzellen bis zu Medikamenten

Schon heute wird Kohlendioxid in chemischen Syntheseanlagen in eine Reihe Produkte verwandelt. Fuumlnfzig Millionen Tonnen (Megatonnen) des Gases jaumlhrlich nutzt man zur Synthese von Harnstoff, der wiederum als Duumlngemittel gebraucht oder zu Kunstharzen weiterverarbeitet wird. Durch die Hydrierung von Kohlendioxid unter hohem Druck laumlsst sich Methanol herstellen – ein wichtiger Ausgangsstoff fuumlr viele Reaktionen und ein Kraftstoff, unter anderem fuumlr Brennstoffzellen. Bei der Copolymerisation von Kohlendioxid mit Epoxiden erhaumllt man zyklische Carbonate wie Ethylen- oder Propylencarbonat. Diese werden fuumlr weitere Synthesen verwendet, aber auch als Loumlsungsmittel fuumlr Beschichtungen und Elektrolyte in Lithiumionenbatterien genutzt.

Und schlieszliglich entsteht bei der Reaktion zwischen Kohlendioxid und Phenol Salicylsaumlure, der Grundbaustein fuumlr Aspirin und andere Schmerzmittel. Insgesamt sind es zwar nur rund 120 Megatonnen an Kohlendioxid, die jaumlhrlich chemisch gebunden werden und nicht in die Atmosphaumlre gelangen. Aber im Gegensatz zu anderen Maszlignahmen zur Senkung der Treibhausgaskonzentration entstehen dabei wertvolle Produkte.

Ein traumlges Molekuumll

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Grundsaumltzlich besteht bei dem Vorhaben, Kohlendioxid chemisch zu verwandeln, eine groszlige Schwierigkeit: Das Molekuumll ist aumluszligerst energiearm und damit recht reaktionstraumlge. Daher muss man ihm auf die Spruumlnge helfen, beispielsweise mit zugefuumlhrter Energie oder durch entsprechende Katalysatoren. Kuumlrzlich berichteten Forscher vom Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur uumlber eine neuartige Methanolsynthese, die unter milden Bedingungen recht effizient ablaumluft (“Angewandte Chemie”, Bd. 121, S. 6770).

Als Katalysator verwendeten die Wissenschaftler ein sogenanntes heterozyklisches Carben. Dieses Molekuumll besitzt ein freies Elektronenpaar, welches an das Kohlendioxid-Molekuumll andockt und es auf diese Weise aktiviert. Als Wasserstoffquelle dient Hydrosilan. Da diese Substanz vergleichsweise teuer ist, suchen die Forscher nach guumlnstigerem Ersatz.

Katalysatoren im Versuch

Auf ein anderes Molekuumll, das Kohlendioxid aktivieren kann, sind Chemiker von den Universitaumlten Muumlnster und Toronto gestoszligen. Bei dem Katalysator handelt es sich um ein sogenanntes frustriertes Lewis-Paar, in dem ein Phosphan und ein Boran miteinander verbunden sind. Das Phosphan als Lewis-Base besitzt uumlberzaumlhlige Elektronen, waumlhrend das Boran als Lewis-Saumlure einen Elektronenmangel aufweist. Sperrige Seitengruppen verhindern, dass sich die Elektronen gleichmaumlszligig innerhalb des Molekuumlls verteilen und das frustrierte Lewis-Paar eine chemische Bindung eingehen kann. Anders in Gegenwart von Kohlendioxid. Mit dem Treibhausgas verbindet sich die Substanz sofort, wie die Forscher um Gerhard Erker in der Zeitschrift “Angewandte Chemie” (Bd. 121, S. 6770) berichten. Nun untersuchen sie, wie sich das eingefangene Kohlendioxid weiter chemisch umsetzen laumlsst.

Auch die metallhaltigen Katalysatoren haben ein groszliges Potential bei der Erschlieszligung von Kohlendioxid als Synthesebaustein. So gibt es Edelmetallkomplexe auf der Basis von Ruthenium und Rhodium, die die Anlagerung von Wasserstoff an Kohlendioxid katalysieren. Gerne moumlchte man auf diesem Wege Ameisensaumlure herstellen. Jedoch entstehen bei der Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid zunaumlchst Formiate oder Dimethylformamid, aus denen sich die gebundene Ameisensaumlure noch nicht energieeffizient freisetzen laumlsst.

Photosynthese als Vorbild

Der Rohstoff Kohlendioxid steht praktisch unbegrenzt zur Verfuumlgung. Daher waumlre es “traumhaft”, man koumlnnte daraus viele verschiedene Substanzen herstellen – etwa Alkohole, Carbonsaumluren, Ester und verschiedene Kunststoffe wie Polyester oder Polycarbonate. Doch viele dieser Umwandlungen gelten in der Tat als “Dream Reactions”, da sie noch nicht oder nicht effizient genug ablaufen. Ein wichtiger Aspekt bei diesen Reaktionen ist stets deren Energie- und Kohlendioxid-Bilanz. Stammt beispielsweise der Wasserstoff fuumlr eine Hydrierung aus fossilen Quellen, kann das Verfahren keinen positiven Effekt auf die Kohlendioxid-Bilanz haben. Auch die traditionelle Harnstoff-Synthese bedarf unter diesem Gesichtspunkt einiger Verbesserungen. Das verwendete Ammoniakgas muss mit hohem Energieaufwand erzeugt werden, so dass unterm Strich mehr an Treibhausgas freigesetzt wird, als chemisch im Harnstoff gebunden bleibt.

Unerreichbares Vorbild bei der Kohlendioxid-Nutzung ist freilich die Natur, die bei der Photosynthese eine beeindruckende Vielfalt an kohlenstoffbasierten Substanzen aufbaut. Bis heute gibt es allerdings kein Verfahren, bei dem Wasser und Kohlendioxid nach Art einer artifiziellen Photosynthese umgesetzt werden koumlnnen. So laumlsst sich ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserdampf zwar photokatalytisch an Titandioxid zu Methan oder Methanol reduzieren. Die Reaktion verlaumluft aber extrem langsam, und die Ausbeute ist gering.

Eine Abschaumltzung

Offensichtlich sind intensive Forschungsanstrengungen notwendig, will man die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid voranbringen. Der Katalyse kommt dabei eine zentrale Rolle zu. Die globale Klimafrage laumlsst sich so zwar nicht loumlsen. In einem Positionspapier, das der Verband der Chemischen Industrie und die Gesellschaft fuumlr Chemische Technik und Biotechnologie (Dechema) Anfang dieses Jahres vorgelegt haben, schaumltzen die Experten, dass houmlchstens ein Prozent der weltweit emittierten Menge an Kohlendioxid in houmlherwertigen Produkten gebunden werden kann. Bezieht man die Herstellung von Kraftstoffen wie Methanol mit ein, liegt der Beitrag allerdings bereits bei rund zehn Prozent.