Strom aus Alkohol und Wasser
Mit Alkohol und Wasser könnte dereinst in Brennstoffzellen Strom produziert werden. ETH-Chemiker haben einen dafür geeigneten Katalysator entwickelt. Dieses Molekül könnte ausserdem in der Umwandlung von CO2 zu Treibstoff eine Anwendung finden.
Aus Alkohol Strom herstellen – dies könnte in Zukunft dank eines neuen Moleküls möglich sein, das Forschende der ETH Zürich entwickelt haben. Bei dem Molekül handelt es sich um einen sogenannten Katalysator. Wird er einem Gemisch aus dem Alkohol Methanol und Wasser beigegeben, reagiert das Gemisch zu molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2). «Mit den meisten bisherigen Methoden waren für diese Reaktion hohe Temperaturen und ein erhöhter Druck nötig», erklärt Hansjörg Grützmacher, Professor am Laboratorium für Anorganische Chemie. «Zudem entsteht mit den etablierten Methoden meist als unerwünschtes Nebenprodukt Kohlenmonoxid, ein giftiges Gas.» Der neue Katalysator hingegen ermöglicht diese Reaktion auch bei Temperaturen unter hundert Grad und bei atmosphärischem Luftdruck.
Mit Methanol betriebene Uhren
Die Forscher können sich verschiedene Anwendungen ihres neuen Katalysators vorstellen. So könnte er beispielsweise als aktive Komponente in Elektroden einer Brennstoffzelle verwendet werden. «Mit einer solchen Brennstoffzelle könnte man ein Gemisch aus Wasser und Methanol direkt als Flüssigbrennstoff zur Stromproduktion einsetzen», sagt Grützmacher. «Möglich ist diese Anwendung, weil die Reaktion mit unserem Katalysator sauber abläuft und dabei keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen.» Bisherige Katalysatoren wurden auf die Dauer ineffizient, weil das Nebenprodukt Kohlenmonoxid als Gift die Katalysatoren gehemmt hat.
Die sogenannten metallorganischen Brennstoffzellen auf Basis des neuen Katalysators, von denen hier die Rede ist, müssen erst noch entwickelt werden. Grützmacher schätzt eine baldige Anwendung wie beispielsweise die Entwicklung von Mikrobrennstoffzellen als Stromquellen für Uhren jedoch als realistisch ein.
Das ganze Molekül ist aktiv
Doch auch die Anwendung der chemischen Reaktion in umgekehrter Richtung wäre denkbar: Aus CO2 – beispielsweise aus der Energieproduktion mit fossilen Quellen oder Biomasse – könnte unter Beigabe von molekularem Wasserstoff Methanol hergestellt werden, der als Treibstoff genutzt werden kann. Auch diese Reaktion, die Hydrierung von CO2, sei bisher bei hoher Temperatur und hohem Druck durchgeführt worden, sagt Grützmacher. Bestehende Methoden hätten ausserdem nur eine geringe Ausbeute.
Ein weiterer Vorteil ist der Aufbau des Katalysators: Er ist zusammengesetzt einerseits aus einem sogenannten Liganden, das heisst einer organischen Verbindung, und andererseits aus einem Metallatom, das sich im Zentrum des Liganden befindet. Als Metall dient in diesem Fall ein Ruthenium-Atom. Während in vielen Katalysatoren bloss die Metall-Atome aktiv zur Reaktion beitragen, sind in diesem Fall sowohl Metall als auch Ligand aktiv. «Solche Katalysatoren sind verhältnismässig neu», sagt Grützmacher. Die Aktivität des ganzen Moleküls ist der Hauptgrund, warum die Reaktion auch bei verhältnismässig tiefen Temperarturen funktioniert.
Grützmacher und seine Kollegen haben nicht nur erstmals einen solchen Katalysator für den Abbau von Methanol in Wasserstoff und CO2 entwickelt, sondern diese Reaktion auch erstmals inklusive einiger wesentlicher Zwischenschritte charakterisiert. Möglich war dies dank der Analyse der Zwischenprodukte mit einem topmodernen Analysegerät, einem sogenannten Röntgen-Einkristall-Diffraktometer. Damit verstehen die Wissenschaftler das Funktionsprinzip dieses Katalysators. Sie können das neu gewonnene Wissen nun verwenden, um die katalysierten Reaktionen weiter zu optimieren.
Literaturhinweis
Rodríguez-Lugo RE, Trincado M, Vogt M, Tewes F,
Santiso-Quinones G, Grützmacher H: A homogenous transition metal complex for
clean hydrogen production from methanol-water mixtures. Nature Chemistry, 2013,
Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1038/nchem.1595
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