CO2 als Brennstoff? Katalysator-Entdeckung verwandelt Emissionen in Chance

Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff für eine Vielzahl chemischer Produkte, darunter Kunststoffe und Kraftstoffe. Es wird häufig als „ein universeller Vorläufer für die Herstellung einer breiten Palette von Chemikalien und Materialien“ beschrieben, im Wesentlichen „das Schweizer Taschenmesser der Chemie“, wie Javier Pérez‑Ramírez, Professor für Katalyse‑Ingenieurwesen an der ETH Zürich, feststellt.

Die Flüssigkeit spielt eine Schlüsselrolle beim Übergang zu einer nachhaltigen Herstellung chemischer Produkte und Kraftstoffe, jedoch nur, wenn die zur Wasserstoffproduktion und Katalyse eingesetzte Energie nachhaltig erzeugt wird. In diesem Fall kann Methanol letztlich klimaneutral produziert werden und bietet eine umweltfreundliche Möglichkeit, Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre zu nutzen.

Allerdings ist die konventionelle Methanolproduktion weitgehend nicht nachhaltig, da der überwiegende Teil aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, was zu hohen Treibhausgasemissionen (THG) führt.

Das könnte sich nun ändern, da Wissenschaftler der ETH Zürich ein Verfahren zur Synthese von Methanol entwickelt haben, das die Grundlage einer fossilenfreien Chemieindustrie bilden könnte. In Nature veröffentlicht, beschreibt die Studie, wie die flüssige Alkohollösung aus Wasserstoff und Kohlendioxid mithilfe einzelner Metallatome als Katalysatoren hergestellt werden kann.

Während Wissenschaftler weiterhin Wege erforschen, chemische Reaktionen mithilfe von Katalysatoren effizienter zu gestalten, könnte diese neue Methode der ETH‑Zürich‑Forscher zudem eine wirtschaftlichere Nutzung seltener und teurer Metalle ermöglichen.

Durch das Platzieren isolierter Indium‑Atome auf einem Trägermaterial haben die Forscher einen Katalysator entwickelt, der CO₂ und H₂ deutlich effizienter in Methanol umwandeln kann.

Das Kohlenstoffungleichgewicht schafft Herausforderungen & Chancen

Kohlendioxid (CO₂) ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas, das eine wesentliche Rolle in den natürlichen Systemen der Erde spielt. Pflanzen nutzen CO₂ während der Photosynthese, um energiereiche Verbindungen zu produzieren und dabei Sauerstoff als Nebenprodukt freizusetzen. Dieser Prozess ist für das Überleben der Menschen unverzichtbar. CO₂ ist zudem am globalen Kohlenstoffkreislauf beteiligt, bei dem Kohlenstoffatome kontinuierlich zwischen Atmosphäre, Erdoberfläche und Lebewesen zirkulieren.

Trotz seiner natürlichen Bedeutung wirkt CO₂ als bedeutendes Treibhausgas. Es fängt Wärme von Sonnenlicht in der Atmosphäre ein und erzeugt einen Erwärmungseffekt, der Temperaturen schafft, die für das Leben geeignet sind. Ohne Treibhausgase wäre die Erde zu kalt zum Leben. Erhöhte Konzentrationen verstärken jedoch diese Erwärmung und treiben die globale Erwärmung sowie den Klimawandel voran.

Kohlenstoff zirkuliert kontinuierlich durch mehrere Speicher: Gesteine, Sedimente, die Atmosphäre und lebende Organismen. Er gelangt wieder in die Atmosphäre durch Atmung, Verfall von Organismen, Vulkanausbrüche und Brände. Heute dominieren jedoch menschliche Aktivitäten dieses Gleichgewicht. Seit Beginn der Industrialisierung Anfang des 19. Jahrhunderts haben Landnutzungsänderungen und die Verbrennung fossiler Brennstoffe Kohlenstoffemissionen erzeugt, die die Aufnahmefähigkeit natürlicher Senken bei weitem übersteigen. Infolgedessen sind die atmosphärischen CO₂‑Konzentrationen stark gestiegen und beschleunigen weiter.

Globale CO₂‑Emissionen aus fossilen Brennstoffen und der Industrie erreichten 2025 38,11 Milliarden Tonnen (GtCO₂) und sind seit 1990 um mehr als 69 % gestiegen, laut Daten von Statista. China ist der größte Verursacher dieser globalen THG‑Emissionen, gefolgt von den USA.

Die Industrialisierung und das rasche Wirtschaftswachstum in den letzten Jahrzehnten führten in dem asiatischen Land zu einem fast 450 %igen Anstieg der CO₂‑Emissionen in den letzten dreieinhalb Jahrzehnten, im Gegensatz zu einem Rückgang von 6,1 % in den USA, wobei das nordamerikanische Land nach wie vor der größte Kohlenstoffverschmutzer der Geschichte bleibt.

Der US‑Israel‑Krieg gegen den Iran hat in den ersten zwei Wochen etwa 5 Millionen Tonnen Treibhausgasemissionen erzeugt. Während die globalen CO₂‑Emissionen weiter steigen, haben sich die Land‑ und Ozean‑Kohlenstoffsenken im letzten Jahrzehnt um etwa 15 % abgeschwächt, so das Global Carbon Project. Es stellte jedoch fest, dass die Land‑Kohlenstoffsenke, also das von Pflanzen und Böden absorbierte CO₂, nach einigen ungewöhnlich schwachen Jahren wieder auf ihr Niveau vor dem El Niño zurückkehrt.

Unterdessen hat eine in Nature veröffentlichte Studie ergeben, dass der Rückgang der Kohlenstoffsenken seit 1960 etwa 8 % zum Anstieg der atmosphärischen CO₂‑Konzentration beigetragen hat. Die Aufnahme von Kohlendioxid hat zudem den pH‑Wert der Ozeane um 0,1 Einheiten gesenkt, was die Säuregehalt um 30 % erhöht.

Da menschliche Aktivitäten mehr CO₂ in die Atmosphäre freisetzen, als natürliche Prozesse entfernen können, steigt die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre weiter an und erreicht neue Rekordhöhen, was einen dringenden Handlungsbedarf zur Bewältigung des CO₂‑Emissionsproblems schafft.

Ein Weg, dieses ernsthafte Problem anzugehen, ist die Umstellung auf erneuerbare Energien. Während Solar‑, Wind‑, Wasserkraft, Geothermie und Biomasse vielversprechende Lösungen bieten, ist dieser Übergang ein langsamer, langfristiger Prozess, der hohe Anfangsinvestitionen, Infrastrukturbedarf und technologische Herausforderungen mit sich bringt.

Weitere Ansätze umfassen die Einführung nachhaltiger Verkehrsmittel, die Steigerung der Energieeffizienz und die Entfernung bestehenden Kohlenstoffs durch Wiederaufforstung und Landmanagement.

All dies sind vielversprechende Lösungen, aber was wäre, wenn wir Kohlendioxid direkt aus der Umwelt einfangen und anschließend als Rohstoff nutzen könnten? Was wäre, wenn wir dieses Haupttreibhausgas in einen Kraftstoff umwandeln könnten? Das wäre ein Durchbruch in Klima‑ und Energietechnologie, da es nicht nur die globale Erwärmung mindern, sondern auch den hohen Energiebedarf der Welt decken würde.

Mehrere Studien untersuchen Wege, CO₂ in Kraftstoff umzuwandeln. Dieser Prozess ist kohlenstoffneutral, da die Kraftstoffe beim Verbrennen dieselbe Menge CO₂ freisetzen. Er beinhaltet das Einfangen von Kohlendioxid und die Nutzung erneuerbarer Energie, um es mittels chemischer Verfahren wie katalytischer Hydrierung oder elektrochemischer Reduktion in Kohlenwasserstoffkraftstoffe wie Methanol, Diesel und Benzin zu verwandeln.

Methanol sticht als einer der praktischsten und skalierbarsten Wege zur CO₂‑Nutzung hervor, dank seiner Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur und Vielseitigkeit in verschiedenen Branchen.

Methanol (CH₃OH) ist ein farbloses, leicht entflammbares und hochgiftiges Alkohol, das bei industrieller Nutzung sowie natürlich von Mikroben, Pflanzen und vulkanischen Gasen in die Umwelt freigesetzt wird. Bei Einnahme oder Aufnahme birgt es erhebliche Gesundheitsrisiken, darunter Erblindung, Organversagen oder Tod.

Die flüssige chemische Verbindung wird als Frostschutzmittel, industrielles Lösungsmittel und chemischer Grundstoff für Kunststoffe, Farben, Schäume, Harze, pharmazeutische Produkte und Kraftstoffe verwendet. Sie dient zudem als Energiespeicher für erneuerbare Elektrizität, als Zusatzstoff in herkömmlichen Kraftstoffen und als alternativer flüssiger Kraftstoff. Als „sauberere“ Energiequelle treibt Methanol Busse, Autos, Lastwagen, Schiffe, Kessel und Brennstoffzellen an. Außerdem wird es zur Herstellung von Dimethylether (DME) verwendet, einem weiteren erneuerbaren Kraftstoff.

Trotz seines Potenzials steht die Skalierung der Methanolproduktion aus CO₂ noch vor Herausforderungen, darunter hoher Energiebedarf, Verfügbarkeit von Wasserstoff und die Notwendigkeit kostengünstiger Katalysatoren. Laufende Forschung macht in diesen Bereichen rasche Fortschritte.

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Einzelatom-Innovation ermöglicht effiziente CO₂‑Umwandlung

Um Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff zu produzieren, 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 helfen, Mehl in Brot umzuwandeln. Im Laufe der Zeit haben Fortschritte bei Katalysatoren zu biologisch abbaubaren Kunststoffen, neuen Pharmazeutika und umweltfreundlicheren Kraftstoffen geführt.

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

Chemische Reaktionen benötigen Energie zum Starten, weil Bindungen zwischen Atomen in Molekülen umgeordnet werden müssen. Die Energieschranke kann klein sein, etwa beim Anzünden eines Streichholzes, oder in industriellen Prozessen deutlich höher, was die Kosten erhöht. Katalysatoren senken diese Barriere, wobei die wirksamsten häufig Metalle enthalten, darunter seltene und teure.

Der Durchbruch der Chemiker der ETH Zürich hat zur Entwicklung eines Katalysators geführt, der die minimale Energie zur Herstellung von Methanol aus CO₂ und Wasserstoff deutlich senkt. Die Forscher erreichten eine äußerst effiziente Nutzung von Indium, sodass jedes Indium‑Atom als eigene aktive Stelle fungiert.

Im Gegensatz zum früheren Trial‑and‑Error‑Ansatz in der Katalysatorforschung ermöglicht der neu entdeckte Katalysator eine präzisere Analyse und ein besseres Verständnis der auf seiner Oberfläche ablaufenden Reaktionen, wodurch der Weg für optimiertere und rationalere Katalysatordesigns geebnet wird.

„Unser neuer Katalysator hat eine Einzelatom‑Architektur, bei der isolierte aktive Metallatome auf der Oberfläche eines speziell entwickelten Trägermaterials verankert sind.“

– Pérez‑Ramírez, Direktor des Nationalen Zentrums für Kompetenzforschung (NCCR) Katalyse

Während der neu entdeckte Katalysator ein Einzelatom‑Katalysator ist, enthalten herkömmliche Katalysatoren Metalle in Form von Aggregaten. Diese Teilchen sind sehr klein, enthalten jedoch meist Hunderte bis Tausende von Metallatomen. Viele dieser Atome sind nicht direkt an der Reaktion beteiligt. Können diese Atome jedoch auf individueller Ebene arbeiten, sind sie deutlich effizienter, da Wissenschaftler seltene und teure chemische Elemente besser nutzen können, was die wirtschaftlich rentable Verwendung von Edelmetallen ermöglicht.

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

„Indium wird in diesem Katalysator bereits seit über einem Jahrzehnt eingesetzt“, bemerkte Pérez‑Ramírez, der seit mehr als eineinhalb Jahrzehnten an besseren Katalysatoren für die CO₂‑basierte Methanolproduktion arbeitet und mehrere Patente in diesem Bereich hält. „In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indium‑Atome auf Hafnium‑Oxid eine effizientere CO₂‑basierte Methanolsynthese ermöglichen als Indium in Form von Nanopartikeln, die eine große Anzahl von Atomen enthalten.“

Indium (In) ist ein silbrig‑weißes Metall, dessen Versorgung hauptsächlich von der Zinkbergbauindustrie abhängt, wobei Indium ein geringes Nebenprodukt ist. China (40 %) ist der größte Produzent von Indium und kontrolliert den Großteil der weltweiten Indiumreserven. Das Metall wird umfangreich in Indium‑Zinn‑Oxid‑Filmen, Legierungen und Halbleitermaterialien verwendet, die für PV‑Zellen, Lötmittel, Flachbildschirme, LEDs, thermische Schnittstellenmaterialien und Batterien benötigt werden.

Um einzelne Indium‑Atome präzise auf der Oberfläche von Hafnium‑Oxid zu platzieren, entwickelte das Team mehrere neue Synthesewege. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit, die in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen durchgeführt wurde, bestand darin, das Trägermaterial so zu gestalten, dass es eine stabile, aber reaktive Umgebung für die Atome bietet.

Ein Weg beinhaltete das Verbrennen der Ausgangsmaterialien in einer Flamme bei 2.000 bis 3.000 °C, gefolgt von schnellem Abkühlen. Dadurch bleibt das Indium an der Oberfläche und wird fest eingebunden.

Das Einbetten von Katalysator‑Atomen in das hitzebeständige Hafnium‑Oxid zeigte, dass Einzelatom‑Katalysatoren extremen Bedingungen, einschließlich hoher Temperaturen und Drücke, standhalten können. Diese Haltbarkeit ist wichtig, da die Synthese von Methanol aus CO₂ und Wasserstoffgas Temperaturen von bis zu 300 °C und Drücke von etwa dem 50‑fachen des normalen Atmosphärendrucks erfordert.

„Nanostrukturierte Indium‑Hafnium‑Oxide, die durch Flammensprüh‑Pyrolyse synthetisiert wurden, erreichen bis zu 70 % höhere indium‑spezifische Methanolproduktivität als Indium‑Zircon‑Oxide, wobei die größten Steigerungen bei einzelnen Indium‑Atomen beobachtet wurden“, erklärte die Studie.

Ein weiterer Vorteil von Einzelatom‑Katalysatoren besteht darin, dass Wissenschaftler Reaktionsmechanismen mit deutlich weniger Störsignalen analysieren können, was klarere Einblicke ermöglicht. Bestehende Katalysatoren aus Nanopartikeln waren dagegen schwer zu untersuchen. Sie waren im Wesentlichen eine Black‑Box. Während Reaktionen nur an einer kleinen Anzahl von Atomen an der Oberfläche stattfinden, stammen viele Messsignale von Atomen im Inneren der Teilchen, die nicht an der Reaktion beteiligt waren, was die Interpretation erschwert.

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

– Pérez‑Ramírez

Investitionen in Kohlenstoffrecycling

Celanese Corporation (CE ) ist ein globales Chemie‑ und Spezialmaterialunternehmen, das Werkstoffe herstellt. Zu den wichtigsten Geschäftsbereichen gehören Engineered Materials und die Acetyl‑Kette.

Bemerkenswerterweise ist das Unternehmen direkt an der Umwandlung von CO₂ in Methanol beteiligt. Durch Fairway Methanol, ein Joint‑Venture mit Japans Mitsui & Co., soll Celanese jährlich etwa 180.000 Tonnen CO₂ abfangen und 130.000 Tonnen kohlenstoffarmes Methanol pro Jahr produzieren.

Kürzlich hat das Unternehmen die Carbon Footprint Certification (CFC) für seine Hostaform‑ und Celcon‑POM‑ECO‑C‑Qualitäten an den Produktionsstandorten in Frankfurt und Texas erhalten, als Ergebnis von Celanese’ Investitionen in Carbon Capture and Utilization (CCU)‑Technologie, um fossile Rohstoffe zu reduzieren, ohne die Materialleistung zu beeinträchtigen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 7 Milliarden $ handeln die Celanese‑Aktien derzeit bei 62,47 $, ein Anstieg von 48 % im Jahresverlauf. Die Aktien des Unternehmens befanden sich in den letzten zwei Jahren in einem Abwärtstrend, nachdem sie Anfang 2024 die Marke von 170 $ überschritten hatten, im späten letzten Jahr auf etwa 35 $ gefallen waren und nun wieder an Schwung gewinnen.

Sie weist ein EPS (TTM) von -10,40 und ein KGV (TTM) von -6,02 auf. Celanese zahlt eine Dividendenrendite von 0,19 %.

Bezüglich der Finanzkennzahlen meldete das Unternehmen für das Gesamtjahr 2025 einen Rückgang des Nettoumsatzes um 7 % auf 9,5 Milliarden $, bedingt durch einen Rückgang von 4 % bei Preis und Menge. Der operative Verlust betrug 786 Millionen $, während der GAAP‑verwässerte Verlust pro Aktie 10,44 $ und das bereinigte Ergebnis pro Aktie 3,98 $ betrug.

Celanese meldete eine unterdurchschnittliche Nachfrage in wichtigen Endmärkten wie Farben, Beschichtungen, Automobil und Bau, konzentrierte sich jedoch weiterhin darauf, den Cashflow zu erhöhen, um Kosten zu senken, die Entschuldung zu beschleunigen und das Umsatzwachstum zu fördern.

„Unsere Jahresleistung zeigt die Stärke unserer Aktionspläne und die disziplinierte Umsetzung in einem herausfordernden Umfeld.“

– CEO Scott Richardson

Im Jahr 2025 erzielte das Unternehmen einen operativen Cashflow von 1,1 Milliarden $ und meldete einen freien Cashflow von 773 Millionen $.

Diese Cashflow-Generierung, zusammen mit über 120 Millionen $ an Kosteneinsparungen, dem Abschluss des Micromax‑Verkaufs, der Refinanzierung kurzfristiger Verbindlichkeiten und der Einführung von Programmen zur Wachstumsförderung und Erweiterung der EM‑Pipeline, half dem Unternehmen, laut Richardson „erhebliche Fortschritte bei unseren Prioritäten der Entschuldung, Kostenverbesserung und Umsatzsteigerung“ zu erzielen. Im letzten Quartal meldete Celanese einen Nettoumsatz von 2,2 Milliarden $, einen Betriebsgewinn von 93 Millionen $ und ein bereinigtes Ergebnis pro Aktie von 0,67 $.

Für das aktuelle Quartal erwartet das Unternehmen nur geringe Änderungen der Nachfrage, rechnet jedoch mit moderaten saisonalen Volumensteigerungen, sodass das bereinigte Ergebnis pro Aktie für das erste Quartal voraussichtlich zwischen 0,70 $ und 0,85 $ liegen wird.

„Wir erwarten ein weiteres starkes Jahr bei der Cashflow-Generierung mit einem angestrebten freien Cashflow von 650 $ bis 750 Millionen. Obwohl das makroökonomische Umfeld unsicher bleibt, haben wir Vorwärtsmomentum geschaffen. Wir glauben, dass die entschlossenen Maßnahmen, die wir ergreifen, Celanese in die Lage versetzen, erheblich von der letztendlichen Erholung zu profitieren.“

– Richardson

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Celanese Corporation (CE) Aktien

Fazit

Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff stellt eine bedeutende Chance dar, eine Klimaherausforderung in einen wirtschaftlichen Nutzen zu verwandeln. Und mit Innovationen wie Einzelatom‑Katalysatoren, die die Effizienz dramatisch steigern, wird der Weg zur Methanolproduktion aus CO₂ immer realistischer. Natürlich erfordert die Skalierung dieser Lösung jedoch reichlich erneuerbare Energie, kostengünstige Wasserstoffproduktion und unterstützende politische Rahmenbedingungen. Sobald all diese Faktoren zusammenkommen, hat CO₂ das Potenzial, von einer der größten Umweltprobleme der Welt zu einer der wichtigsten Ressourcen zu werden.

Referenzen

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2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O’Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, I.T., Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, R.M., Bakker, D.C.E., Canadell, J.G., Ciais, P., Gasser, T., Jones, M.W., Lan, X., Morgan, E., Olsen, A., Peters, G.P., Peters, W., Sitch, S. & Tian, H. Entstehende Klimaauswirkungen auf Kohlenstoffsenken in einem konsolidierten Kohlenstoffbudget. Nature 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5