CO2 als Treibstoff? Katalysator-Entdeckung wandelt Emissionen in Chancen um

Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff für eine Vielzahl chemischer Produkte, darunter Kunststoffe und Kraftstoffe. Es wird oft als „universelle Vorstufe für die Herstellung einer breiten Palette von Chemikalien und Materialien“ bezeichnet, quasi als „Schweizer Taschenmesser der Chemie“, wie Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalysetechnik an der ETH Zürich, feststellte.

Die Flüssigkeit spielt eine Schlüsselrolle beim Übergang zu einer nachhaltigen Produktion von chemischen Produkten und Kraftstoffen, jedoch nur, wenn die zur Wasserstofferzeugung und Katalyse benötigte Energie nachhaltig gewonnen wird. In diesem Fall kann Methanol letztendlich klimaneutral produziert werden und bietet somit eine umweltfreundliche Möglichkeit zur Nutzung von Kohlendioxid (CO₂).₂) aus der Atmosphäre.

Die konventionelle Methanolproduktion ist jedoch weitgehend nicht nachhaltig, da der überwiegende Teil aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, was zu hohen Treibhausgasemissionen führt.

Das könnte sich nun ändern, denn Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine Methode zur Methanolsynthese entwickelt, die die Grundlage für eine fossilfreie chemische Industrie bilden könnte. (Veröffentlicht in Nature) die Studie¹ beschreibt detailliert, wie flüssiger Alkohol aus Wasserstoff und Kohlendioxid unter Verwendung einzelner Metallatome als Katalysatoren hergestellt werden kann.

Während Wissenschaftler weiterhin nach Möglichkeiten suchen, chemische Reaktionen mithilfe von Katalysatoren effizienter zu gestalten, könnte diese neue Methode von Forschern der ETH Zürich auch eine wirtschaftlichere Nutzung seltener und teurer Metalle ermöglichen.

Durch die Platzierung isolierter Indiumatome auf einem Trägermaterial haben die Forscher einen Katalysator entwickelt, der CO umwandeln kann.₂ und H₂ in Methanol weitaus effizienter.

Das Kohlenstoffungleichgewicht schafft Herausforderungen und Chancen

Kohlendioxid (CO₂CO₂ ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas, das eine wichtige Rolle in den natürlichen Systemen der Erde spielt. Pflanzen nutzen CO₂.₂ Während der Photosynthese werden energiereiche Verbindungen produziert und Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt. Dieser Prozess ist für das menschliche Überleben unerlässlich. CO₂₂ ist auch am globalen Kohlenstoffkreislauf beteiligt, bei dem Kohlenstoffatome kontinuierlich zwischen der Atmosphäre, der Erdoberfläche und lebenden Organismen wandern.

Trotz seiner natürlichen Bedeutung, CO₂ Treibhausgase wirken als bedeutendes Treibhausgas. Sie halten die Wärme des Sonnenlichts in der Atmosphäre zurück und erzeugen so einen Erwärmungseffekt, der die Temperaturen auf der Erde für Leben geeignet hält. Ohne Treibhausgase wäre die Erde zu kalt zum Bewohnen. Erhöhte Konzentrationen verstärken diesen Erwärmungseffekt jedoch und treiben die globale Erwärmung und den Klimawandel voran.

Der Kohlenstoffkreislauf durchläuft kontinuierlich verschiedene Speicher: Gesteine, Sedimente, die Atmosphäre und lebende Organismen. Er gelangt durch Atmung, den Verfall von Organismen, Vulkanausbrüche und Brände wieder in die Atmosphäre. Menschliche Aktivitäten dominieren dieses Gleichgewicht jedoch mittlerweile. Seit Beginn der Industrialisierung im frühen 19. Jahrhundert haben Landnutzung und die Verbrennung fossiler Brennstoffe Kohlenstoffemissionen erzeugt, die die Aufnahmekapazität natürlicher Senken bei Weitem übersteigen. Infolgedessen ist die atmosphärische CO₂-Konzentration stark angestiegen.₂ Die Konzentrationen sind stark angestiegen und beschleunigen sich weiter.

globale CO₂ Die Emissionen aus fossilen Brennstoffen und der Industrie erreichten 38.11 Milliarden Tonnen (GtCO₂).₂Laut Daten von StatistaChina ist das größter Beitragszahler zu diesen globalen Treibhausgasemissionen, gefolgt von den USA.

Die Industrialisierung und das rasante Wirtschaftswachstum der letzten Jahrzehnte führten zu einem Anstieg des CO₂-Ausstoßes um fast 450 %.₂ Die Emissionen in dem asiatischen Land sind in den letzten dreieinhalb Jahrzehnten gesunken, im Gegensatz zu einem Rückgang um 6.1 % in den USA, obwohl das nordamerikanische Land weiterhin führend ist. größter Kohlenstoffemittent der Geschichte.

Der Krieg der USA und Israels gegen den Iran hat ungefähr 5 Millionen Tonnen Treibhausgasemissionen in den ersten zwei Wochen. Während das globale CO2₂ Die Emissionen steigen weiter an, die Kohlenstoffsenken an Land und im Ozean haben sich laut [Quelle einfügen] im letzten Jahrzehnt um etwa 15 % abgeschwächt. Global Carbon ProjektObwohl es die Kohlenstoffsenke an Land fand, CO₂₂ Emissionen, die von Pflanzen und Böden aufgenommen werden, sollen sich wieder auf ihren Vorher-Wert erholen.El Niño Stärke nach ein paar ungewöhnlich schwachen Jahren.

Unterdessen wurde eine Studie veröffentlicht in Natur² Es wurde festgestellt, dass der Rückgang der Kohlenstoffsenken etwa 8 % zum Anstieg des atmosphärischen CO₂ beigetragen hat.₂ Die Konzentration seit 1960 ist gesunken. Die Aufnahme von Kohlendioxid hat außerdem den pH-Wert des Ozeans um 0.1 Einheiten gesenkt und damit seinen Säuregehalt um 30 % erhöht.

Da menschliche Aktivitäten also mehr CO₂ freisetzen, …₂ Da immer mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt, als natürliche Prozesse abbauen können, steigt die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre weiter an und erreicht neue Rekordwerte. Dies macht es dringend notwendig, das CO₂-Problem anzugehen.₂ Emissionen.

Eine Möglichkeit, dieses gravierende Problem anzugehen, ist die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien. Solar-, Wind-, Wasserkraft, Geothermie und Biomasse bieten zwar vielversprechende Lösungen, doch ist diese Energiewende ein langsamer, langfristiger Prozess, der mit hohen Anfangsinvestitionen, Infrastrukturbedarf und technologischen Herausforderungen verbunden ist.

Weitere Möglichkeiten umfassen die Einführung nachhaltiger Verkehrsmittel, die Steigerung der Energieeffizienz und die Entfernung vorhandenen Kohlenstoffs durch Aufforstung und Landmanagement.

Das sind alles vielversprechende Lösungen, aber was wäre, wenn wir könnten Kohlendioxid einfangen Direkt aus der Umwelt gewinnen und als Rohstoff nutzen? Was wäre, wenn wir dieses wichtigste Treibhausgas in einen Kraftstoff umwandeln könnten? Das wäre ein Durchbruch in der Klima- und Energietechnologie, denn es würde nicht nur dazu beitragen, die globale Erwärmung zu minimieren, sondern auch den hohen Energiebedarf der Welt decken.

Mehrere Studien haben Wege untersucht, CO umwandeln₂ in Treibstoff. Dieser Prozess ist klimaneutral, da die Brennstoffe die gleiche Menge CO₂ freisetzen.₂ Bei der Verbrennung wird Kohlendioxid abgeschieden und mithilfe erneuerbarer Energie durch chemische Verfahren wie katalytische Hydrierung oder elektrochemische Reduktion in Kohlenwasserstoffkraftstoffe wie Methanol, Diesel und Benzin umgewandelt.

Methanol erweist sich als einer der praktischsten und am besten skalierbaren Wege zur CO₂-Abscheidung.₂ Die hohe Nutzung wird durch die Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur und die branchenübergreifende Vielseitigkeit ermöglicht.

Methanol (CH₃OH ist ein farbloser, entzündlicher und hochgiftiger Alkohol, der bei industriellen Anwendungen und auf natürliche Weise durch Mikroben, Pflanzen und vulkanische Gase in die Umwelt gelangt. Bei Verschlucken oder Aufnahme über die Haut birgt er erhebliche Gesundheitsrisiken, darunter Erblindung, Organversagen oder Tod.

Die flüssige chemische Verbindung wird als Frostschutzmittel, industrielles Lösungsmittel und chemischer Rohstoff für Kunststoffe, Farben, Schäume, Harze, pharmazeutische Produkte und Kraftstoffe verwendet. Sie dient außerdem als Energieträger zur Speicherung erneuerbarer Energien, als Zusatzstoff in konventionellen Kraftstoffen und als alternativer flüssiger Kraftstoff. Als „sauberere“ Energiequelle treibt Methanol Busse, Pkw, Lkw, Schiffe, Kessel und Brennstoffzellen an. Es wird auch zur Herstellung von Dimethylether (DME), einem weiteren erneuerbaren Kraftstoff, verwendet.

Trotz seines Potenzials ist die Skalierung der Methanolproduktion aus CO₂ schwierig.₂ Es bestehen weiterhin Herausforderungen, darunter der hohe Energiebedarf, die Verfügbarkeit von Wasserstoff und der Bedarf an kostengünstigen Katalysatoren. Die laufende Forschung erzielt in diesen Bereichen rasche Fortschritte.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Licht Kohlendioxid wiederverwerten kann.

Einzelatom-Innovation ermöglicht effiziente CO₂-Produktion₂ Umwandlung (Conversion)

Um Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff herzustellen, haben Forscher der ETH Zürich einen Fortschritt in der Katalysatorforschung erzielt.

Katalysatoren werden seit der Antike eingesetzt. Beispielsweise enthält die Hefe, die zum Brotbacken verwendet wird, natürliche Katalysatoren (Enzyme), die dabei helfen, Mehl in Brot umzuwandeln. Im Laufe der Zeit haben Fortschritte bei Katalysatoren zu biologisch abbaubaren Kunststoffen, neuen Arzneimitteln und umweltverträglicheren Kraftstoffen geführt.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der Reaktionen erleichtert und effizienter gestaltet. Diese „Reaktionshelfer“ beschleunigen eine chemische Reaktion oder senken den Druck oder die Temperatur, die zum Starten einer Reaktion erforderlich sind, ohne dabei selbst während der Reaktion verbraucht zu werden.

Chemische Reaktionen benötigen Energie, um in Gang zu kommen, da die Bindungen zwischen den Atomen in Molekülen neu angeordnet werden müssen. Die benötigte Energie kann gering sein, wie beim Anzünden eines Streichholzes, oder in industriellen Prozessen deutlich höher, was die Kosten in die Höhe treibt. Katalysatoren helfen, diese Barriere zu senken, wobei die wirksamsten oft Metalle enthalten, darunter seltene und teure.

Der Durchbruch der Chemiker der ETH Zürich hat zur Entwicklung eines Katalysators geführt, der die Mindestenergie, die zur Herstellung von Methanol aus CO₂ benötigt wird, erheblich senkt.₂ und Wasserstoff. Den Forschern gelang eine äußerst effiziente Nutzung von Indium, sodass jedes Indiumatom als eigenes aktives Zentrum dient.

Im Gegensatz zum bisherigen Trial-and-Error-Ansatz in der Katalyseforschung ermöglicht der neu entdeckte Katalysator eine präzisere Analyse und ein besseres Verständnis der auf seiner Oberfläche ablaufenden Reaktionen und ebnet so den Weg für eine optimierte und rationalere Katalysatorentwicklung.

„Unser neuer Katalysator besitzt eine Einzelatomarchitektur, bei der isolierte aktive Metallatome auf der Oberfläche eines speziell entwickelten Trägermaterials verankert sind.“

– Pérez-Ramírez, der Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Katalyse

Während der neu entdeckte Katalysator aus Einzelatomen besteht, enthalten herkömmliche Katalysatoren Metalle in Aggregaten. Diese Partikel sind zwar sehr klein, enthalten aber üblicherweise Hunderte bis Tausende von Metallatomen. Viele dieser Atome sind nicht einmal direkt an der Reaktion beteiligt. Können diese Atome jedoch auf individueller Ebene wirken, wären sie deutlich effizienter, da Wissenschaftler seltene und teure chemische Elemente besser nutzen und somit eine wirtschaftlich sinnvolle Verwendung von Edelmetallen ermöglichen könnten.

Auch die katalytischen Eigenschaften isolierter Atome unterscheiden sich von denen von Aggregaten.

„Indium wird in diesem Katalysator bereits seit über einem Jahrzehnt eingesetzt“, bemerkte Pérez-Ramírez, der an besseren Katalysatoren für CO arbeitet.₂Das Unternehmen beschäftigt sich seit über anderthalb Jahrzehnten mit der Methanolproduktion auf Basis von Hafniumoxid und hält mehrere Patente auf diesem Gebiet. „In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indiumatome auf Hafniumoxid eine effizientere CO-Abscheidung ermöglichen.“₂-basierte Methanolsynthese als Indium in Form von Nanopartikeln, die eine große Anzahl von Atomen enthalten.“

Indium (In) ist ein silberweißes Metall, dessen Angebot hauptsächlich von der Zinkgewinnung abhängt, wobei Indium ein geringes Nebenprodukt ist. China (40 %) ist der größte Indiumproduzent und kontrolliert den Großteil der weltweiten Indiumreserven. Das Metall findet breite Anwendung in Indiumzinnoxid-Filmen, Legierungen und Halbleitermaterialien, die für Photovoltaikzellen, Lötmittel, Flachbildschirme, LEDs, Wärmeleitmaterialien und Batterien benötigt werden.

Um einzelne Indiumatome präzise auf der Oberfläche von Hafniumoxid zu platzieren, entwickelte das Team mehrere neue Synthesewege. Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit, die in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen durchgeführt wurde, war die Entwicklung eines Trägermaterials, das den Atomen eine stabile, aber reaktive Umgebung bietet.

Ein Verfahren besteht darin, die Ausgangsmaterialien in einer Flamme bei 2,000 bis 3,000 °C zu verbrennen und sie anschließend rasch abzukühlen. Dadurch bleibt das Indium an der Oberfläche und wird fest eingebaut.

Die Einbettung von Katalysatoratomen in hitzebeständiges Hafniumoxid hat gezeigt, dass Einzelatomkatalysatoren extremen Bedingungen, einschließlich hoher Temperaturen und Drücke, standhalten können. Diese Beständigkeit ist wichtig für die Synthese von Methanol aus CO₂.₂ Für Wasserstoffgas sind Temperaturen von bis zu 300 °C und Drücke vom etwa 50-Fachen des normalen Atmosphärendrucks erforderlich.

„Nanostrukturierte Indium-Hafnium-Oxide, die mittels Flammenpyrolyse synthetisiert werden, erreichen eine bis zu 70 % höhere indiumspezifische Methanolproduktivität als Indium-Zirkonium-Oxide, wobei die größten Zuwächse bei einzelnen Indiumatomen beobachtet werden“, heißt es in der Studie.

Ein weiterer Vorteil von Katalysatoren mit isolierten Atomen besteht darin, dass Wissenschaftler Reaktionsmechanismen mit deutlich weniger Störsignalen analysieren und so klarere Erkenntnisse gewinnen können. Bisherige Katalysatoren aus Nanopartikeln waren recht schwer zu untersuchen. Sie stellten im Wesentlichen eine Blackbox dar. Obwohl Reaktionen nur an einer kleinen Anzahl von Atomen an der Oberfläche stattfinden, stammen viele Messsignale von Atomen im Inneren der Partikel, die nicht an der Reaktion beteiligt waren, was die Interpretation der Vorgänge erschwert.

„Die Entwicklung des Methanolkatalysators und die detaillierte Analyse des Mechanismus wären ohne diese interdisziplinäre Expertise nicht möglich gewesen.“

– Pérez-Ramírez

Investitionen in Kohlenstoffrecycling

Celanese Corporation (CE + 1.67%) ist ein weltweit tätiges Chemie- und Spezialwerkstoffunternehmen, das technische Polymere herstellt. Zu seinen wichtigsten Geschäftsbereichen gehören technische Werkstoffe und die Acetylkette.

Das Unternehmen ist insbesondere direkt an der Umwandlung von CO₂ beteiligt.₂ zu Methanol. Über Fairway Methanol, ein Joint Venture mit dem japanischen Unternehmen Mitsui & Co., will Celanese rund 180,000 Tonnen CO₂ abscheiden.₂ jährlich und produzieren 130,000 Tonnen kohlenstoffarmes Methanol pro Jahr.

Kürzlich erhielt das Unternehmen die Carbon Footprint Certification (CFC) für seine Hostaform- und Celcon POM ECO-C-Sorten an seinen Produktionsstandorten in Frankfurt und Texas. Dies ist das Ergebnis der Investitionen von Celanese in die Carbon Capture and Utilization (CCU)-Technologie, mit der der Einsatz fossiler Rohstoffe reduziert werden kann, ohne die Materialeigenschaften negativ zu beeinflussen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 7 Milliarden US-Dollar notieren die Celanese-Aktien aktuell bei 62.47 US-Dollar, ein Plus von 48 % seit Jahresbeginn. Nachdem die Aktien des Unternehmens Anfang 2024 die 170-Dollar-Marke überschritten hatten, befanden sie sich in den letzten zwei Jahren in einem Abwärtstrend, fielen Ende letzten Jahres auf etwa 35 US-Dollar und erholen sich nun wieder.

Das Unternehmen weist einen Gewinn je Aktie (TTM) von -10.40 und ein Kurs-Gewinn-Verhältnis (TTM) von -6.02 auf. Celanese zahlt eine Dividendenrendite von 0.19 %.

Die Finanzkennzahlen des Unternehmens zeigen einen Rückgang des Nettoumsatzes um 7 % auf 9.5 Milliarden US-Dollar für das Gesamtjahr 2025, bedingt durch einen Preis- und Mengenrückgang von jeweils 4 %. Der operative Verlust belief sich auf 786 Millionen US-Dollar, der verwässerte Verlust je Aktie nach US-GAAP betrug 10.44 US-Dollar und der bereinigte Gewinn je Aktie 3.98 US-Dollar.

Celanese meldete eine unterdurchschnittliche Nachfrage in wichtigen Endmärkten wie Farben, Lacke, Automobilindustrie und Bauwesen, konzentrierte sich aber weiterhin darauf, den Cashflow zu erhöhen, um die Kosten zu senken, den Schuldenabbau zu beschleunigen und das Umsatzwachstum voranzutreiben.

„Unsere Jahresleistung beweist die Stärke unserer Aktionspläne und deren disziplinierte Umsetzung in einem schwierigen Umfeld.“

– CEO Scott Richardson

Im Jahr 2025 erwirtschaftete das Unternehmen einen operativen Cashflow von 1.1 Milliarden US-Dollar und meldete einen freien Cashflow von 773 Millionen US-Dollar.

Dieser Cashflow, kombiniert mit Kostensenkungen von über 120 Millionen US-Dollar, dem Abschluss der Micromax-Veräußerung, der Refinanzierung kurzfristiger Verbindlichkeiten und der Einführung von Programmen zur Wachstumsförderung und Erweiterung der Projektpipeline in Schwellenländern, habe dem Unternehmen geholfen, „erhebliche Fortschritte bei der Umsetzung unserer Prioritäten Schuldenabbau, Kostenoptimierung und Umsatzwachstum zu erzielen“, so Richardson. Im letzten Quartal erzielte Celanese einen Nettoumsatz von 2.2 Milliarden US-Dollar, einen operativen Gewinn von 93 Millionen US-Dollar und einen bereinigten Gewinn je Aktie von 0.67 US-Dollar.

Für das laufende Quartal rechnet das Unternehmen mit keiner wesentlichen Veränderung der Nachfrage, geht aber von leichten saisonalen Verbesserungen des Absatzvolumens aus und erwartet daher einen bereinigten Gewinn je Aktie im ersten Quartal zwischen 0.70 und 0.85 US-Dollar.

„Wir erwarten ein weiteres starkes Jahr mit einem angestrebten freien Cashflow von 650 bis 750 Millionen US-Dollar. Obwohl das makroökonomische Umfeld weiterhin unsicher ist, haben wir positive Impulse gesetzt. Wir sind überzeugt, dass die von uns ergriffenen Maßnahmen Celanese in die Lage versetzen werden, von der bevorstehenden Erholung maßgeblich zu profitieren.“

– Richardson

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Celanese Corporation (CE).

Fazit

Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff bietet eine bedeutende Chance, eine Klimakrise in einen wirtschaftlichen Vorteil zu verwandeln. Und mit Innovationen wie Einzelatomkatalysatoren, die die Effizienz drastisch verbessern, rückt der Weg zur Methanolproduktion aus CO₂ immer näher.₂ wird praktikabler denn je. Doch die Skalierung dieser Lösung erfordert natürlich reichlich erneuerbare Energie, eine kostengünstige Wasserstoffproduktion und förderliche politische Rahmenbedingungen. Sobald all diese Faktoren gegeben sind, kann CO₂₂ hat das Potenzial, sich von einer der größten Umweltprobleme der Welt zu einer ihrer wichtigsten Ressourcen zu entwickeln.

Referenzen

1. Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Xu, L., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D., Bao, X. & Li, C. Einzelne Indiumatome ermöglichen effiziente CO₂ Hydrierung zu Methanol. Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O'Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, IT, Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, RM, Bakker, DCE, Canadell, JG, Ciais, P., Gasser, T., Jones, MW, Lan, Natur 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5