Labor im CAT Catalytic Center: Hier wurde der richtige Katalysator gefunden, um CO2-basiertes Polyol – ein Baustein für PUR-Schaum – im großen Maßstab herstellen zu können. Foto: CAT

Kohlendioxid als Rohstoff

Plastics in the Future

Dank neuer Katalysatoren könnten sich Millionen Tonnen Kohlendioxid in Kunststoff verwandeln. So werden Polyole und Ethylen bereits aus CO2 gewonnen.

Könnte das Klimagas Kohlendioxid bald ein begehrter Rohstoff werden? Vielleicht. Denn der Traum, das Treibhausgas Kohlendioxid in eine nützliche Chemikalie zu verwandeln, ist ein Stück realistischer geworden – dank neuer hocheffizienter Katalysatoren.

„Das reaktionsträge Molekül CO2 in effizienter Weise chemisch zu nutzen ist eine große Herausforderung, bei der jetzt ein Durchbruch gelungen ist“, Ernst Schmachtenberg, Rektor RWTH Aachen

Kohlendioxid (CO2) ist bekanntlich das Endprodukt der Verbrennung. Das heißt, es trägt nur noch wenig Energie in sich. Und reagiert daher auch nur schwer mit anderen Substanzen. Man muss ihm quasi erst einen Stups geben.

Für diesen Anstoß, der die chemische Reaktion in Gang bringt, braucht man Energie und einen Katalysator. Allerdings nicht irgendeinen. Sondern ganz einen speziellen, maßgeschneidert für genau diese Funktion. Nach diesen Katalysatoren haben Generationen von Forschern weltweit gesucht.

Kohlendioxid betritt die Bühne der Kunststoffproduktion: Covestro-Forscher Christoph Gürtler mit einem PUR-Schaumstoff, dessen wesentlicher Baustein Polyol zu 20 % aus CO2 besteht. Foto: Covestro
Kohlendioxid betritt die Bühne der Kunststoffproduktion: Covestro-Forscher Christoph Gürtler mit einem PUR-Schaumstoff, dessen wesentlicher Baustein Polyol zu 20 % aus CO2 besteht. Foto: Covestro

Nun entdeckte ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum und der TU Berlin, wie plasma­behandeltes Kupfer das Kohlendioxid hochselektiv in Ethylen umwandelt – einen wichtigen Ausgangsstoff für Kunststoffe. Auch ein Expertenteam des Kunststoffherstellers Covestro hat sich mit Kolle­gen vom CAT Catalytic Center in Aachen auf die Suche begeben. Und die war nun endlich von Erfolg gekrönt: Den Experten ist es gelungen, den richtigen Katalysator für die Herstellung kohlendioxidbasierter Polyole zu finden. Dabei wird das Kohlendioxid aufgespalten und chemisch fest in das Polyol eingebunden. Man braucht Polyol, um Polyurethan-Schaumstoff herzustellen.

Kohlendioxid für die PUR-Matratze

Während die Herstellung von Ethylen bislang nur im Labormaßstab stattfindet, hat Covestro kürzlich eine 5.000-jato-Produktionsanlage für kohlen­­dioxidbasiertes Polyol an seinem Standort Dormagen bei Köln in Betrieb genommen. Hier wird erstmals im industriellen Maßstab eine neuartige, kohlendioxidbasierte Komponente für die Herstellung von Poly­urethan-Schaumstoff produziert. Rund 15 Mio. EUR hat das Unternehmen in diese Anlage investiert.

Polyurethan-Schaumstoff ist ein vielseitiges Material, das uns an vielen Stellen im täglichen Leben begegnet. Als Dämmstoff in Häusern und Kühlgeräten oder in Autositzen. Und in Matratzen und Polstermöbeln, wofür die speziellen kohlendioxidbasierten Polyole konzipiert sind. Rund 20 % Kohlendioxid – so viel ist in diesem Fall sinnvoll – sind in der Schaumstoffkomponente enthalten, und in dieser Größenordnung lässt sich dann Erdöl einsparen.

„Man muss und wird Kohlendioxid mit anderen Augen wahrnehmen: Seine Verwendung als alternative Kohlenstoffquelle ist die Antwort auf große Herausforderungen unserer Zeit – Ersatz zu finden für die begrenzten fossilen Ressourcen wie Öl und Gas und Stoffkreisläufe zu schließen. Mit unserem Verfahren und dem Startschuss in Dormagen sehen wir uns als Vorreiter in dieser Richtung“, sagte Covestro-Vorstandsvorsitzender Patrick Thomas bei der Eröffnung der Anlage in Dormagen.

Prof. Dr. Ernst Schmachtenberg, Rektor der RWTH Aachen, fügte hinzu: „Das reaktionsträge Molekül Kohlendioxid in effizienter Weise chemisch zu nutzen ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung, bei der jetzt ein Durchbruch gelungen ist.“

„Bald werden wir auf CO2 schlafen können!“, Dr. Karsten Malsch, Projektleiter Dream Production bei Covestro

Covestro-Wissenschaftler hatten Hand in Hand mit Experten des CAT Catalytic Center in Aachen – einer gemeinsam mit der RWTH betriebenen Forschungseinrichtung – den passenden Katalysator gefunden, der die chemische Reaktion mit Kohlendioxid erst möglich macht.

Das neue Polyol auf Kohlendioxidbasis ist zunächst für Polyurethan-Weichschaum und den Einsatz in Matratzen und Polstermöbeln konzipiert. Von der Qualität ist der Schaumstoff mindestens ebenso gut wie konventionelles Material, das komplett aus petrochemischen Rohstoffen und damit letzten Endes Erdöl hergestellt wird.

Umweltverträgliches Verfahren
Beatriz Roldan Cuenya (r.) von der Ruhr-Universität Bochum und ihre Doktorandin Hemma Mistry entwickelten eine plasmamodifizierte Kupferfolie für die hochselektive Herstellung von Ethylen aus Kohlendioxid. Foto: RUB
Beatriz Roldan Cuenya (r.) von der Ruhr-Universität Bochum und ihre Doktorandin Hemma Mistry entwickelten eine plasmamodifizierte Kupferfolie für die hochselektive Herstellung von Ethylen aus Kohlendioxid.
Foto: RUB

Durch den Wegfall des Öls und der Energie, die eigentlich zu dessen Aufbereitung benutzt wird, ist das Verfahren zudem umweltverträglicher als herkömmliche Produktionsprozesse. Dank des Katalysators und des Energiereichtums der verbleibenden Menge an petrochemischem Rohstoff muss außerdem keine zusätzliche Energie von außen zugeführt werden, um das träge Kohlendioxid zur Reaktion zu bringen.

Falls die neuen kohlendioxidbasierten Produkte den erhofften Anklang finden, kann sich Covestro vorstellen, die Produktion deutlich auszuweiten.

Das Unternehmen arbeitet insgesamt daran, nicht nur Weichschaum, sondern möglichst noch viele andere Kunststoffe mithilfe von Kohlendioxid herzustellen. Ziel ist, in Zukunft in größerem Maße auf Erdöl in der Kunststoffherstellung verzichten zu können.

Das CAT Catalytic Center, eine Einrichtung der RWTH Aachen und des Werkstoffherstellers Covestro, stellt das Projekt „CO2 ersetzt Erdöl in der Kunststoff-Produktion“ vor. Dank eines neuen Verfahrens kann das Treibhausgas Kohlendioxid jetzt als neuer Rohstoff zur Herstellung hochwertiger Kunststoffe verwendet werden. So lassen sich knapper werdende fossile Ressourcen wie Erdöl sparen, auf denen Kunststoffe sonst basieren. Das CAT hat in einem von der Bundesregierung unterstützten Forschungsprojekt mit Covestro den richtigen Katalysator gefunden und weiterentwickelt, der das Verfahren möglich macht.

Ethylen mit plasmabehandeltem Kupfer

Auch Ethylen ist ein wesentlicher Baustein für viele Kunststoffe. Und auch hier liegt der Schlüssel beim richtigen Katalysator, um Ethylen aus Kohlen­dioxid zu gewinnen. Bislang existierende Katalysatoren waren nicht effizient genug. Ein Problem bei der Ethylenherstellung: Die Materialien besitzen keine hohe Selektivität; das heißt, sie produzieren sehr wenig Ethylen und zu viele ungewollte Nebenprodukte.

„Wir haben nun eine ganz neue Klasse von anorganischen Kupferkatalysatoren entwickelt, die eine praktisch perfekte Selektivität und deutlich höhere Produktionsrate an wertvollem Ethylen aufweist, und zwar durch eine einfache und regulierbare Behandlung mit Gasplasma. Der Schlüssel hierzu war die molekulare Aufklärung des katalytischen Mechanismus mithilfe von modernster Röngtenanalytik“, erklärt Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin. Strasser beschäftigt sich seit Jahren mit der Erforschung effizienter Katalysatorkomponenten.

„Man muss und wird Kohlendioxid mit anderen Augen wahrnehmen. Als alternative Kohlenstoffquelle ist es die Antwort auf große Herausforderungen“, Patrick Thomas, Vorstandsvorsitzender bei Covestro

Der Katalysator selbst ist an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt worden. Professor Beatriz Roldan Cuenya vom RUB-Institut für Experimentalphysik IV und ihre Doktorandin Hemma Mistry haben die Oberfläche einer Kupferfolie mit einem Sauerstoff- oder Wasserstoffplasma so modifiziert, dass sie die Reaktion massiv beschleunigt. Hierzu variierte Mistry die Plasmaparameter so lange, bis sie die optimalen Oberflächeneigenschaften – zum Beispiel rauer oder weniger rau, mal mehr oder weniger oxidiert – für das Material gefunden hatte.

Das Ergebnis: Neben der deutlich höheren Ethylen-Produktionsrate gegenüber herkömmlichen Kupferkatalysatoren ist die Besonderheit die sehr selektive Arbeitsweise des Katalysators, es entstehen kaum unerwünschte Nebenprodukte. „Es ist ein neuer Rekord für dieses Material“, resümiert Prof. Cuenya.

Peter Strasser von der TU Berlin bei Untersuchungen mithilfe einer Elektrolyseanlage: Sprudelwasser und Strom wandeln sich bei Raumtemperatur in den wertvollen Polymerbaustein Ethylen. Foto: TU Berlin
Peter Strasser von der TU Berlin bei Untersuchungen mithilfe einer Elektrolyseanlage: Sprudelwasser und Strom wandeln sich bei Raumtemperatur in den wertvollen Polymerbaustein Ethylen. Foto: TU Berlin

„Der Effekt ist enorm“, sagt Prof. Strasser von der TU Berlin. Er steckte die Kupferfolie aus Bochum in einen mit Wasser gefüllten Behälter, das mit Kohlensäure angereichert war. Ihr gegenüber ordnete er eine Nickelelektrode an. Zwischen ihnen baute er eine Gleichspannung von wenigen Volt auf. Bei dieser Elektrokatalyse sprudelte an der Kupfer­elektrode Ethylen empor, an der Nickelelektrode Sauerstoff.

Neues Design für Nanokatalysatoren

Mit Synchrotronstrahlung untersuchten die Forscher den chemischen Zustand des Kupferfilms während der Katalysereaktion. So fanden sie die Ursache für die hohe Ethylen-Selektivität. Entscheidend dafür waren einfach positiv geladene Kupferionen an der Katalysatoroberfläche.

„Auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft ist die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid ein wichtiger Schritt“, Thomas Rachel, Parlamentarischer Staatsekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung

Zuvor war man davon ausgegangen, dass Kupfer unter den Reaktionsbedingungen – die Ethylen-Synthese begnügt sich mit Zimmertemperatur und einem Druck von nur 1 bar – nur in seiner ungeladenen metallischen Form vorliegen kann. Eine Annahme, die die Forscher nun widerlegten und in zusätzlichen mikroskopischen Analysen bestätigten. „Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für das gezielte Design von Katalysatoren auf der Nanoskala mit bestimmter Aktivität und Selektivität“, sagt Prof. Cuenya.

Dennoch: Die Technologie braucht Energie und ist daher vor allem zur Integration von erneuerbaren Energien gedacht. Das Gas kann nur produziert werden, wenn der Strom ziemlich billig ist, ihn niemand anderer braucht. Das ist bei Wind und Sonne ja durchaus möglich. Spätere Anlagen im Industriemaßstab sollen vorzugsweise mit überschüssigem Wind- und Solarstrom versorgt werden, der nichts oder kaum etwas kostet. „So fallen nur die Investitionskosten für die Anlage an“, meint Strasser.

Matthias Gutbrod

 

Anlaufbild: CAT