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Skalierbare und nachhaltige Katalysatoren als effiziente Schlüsseltechnologie zur Produktion von grünem Methanol

(english version)

Im Projekt wird zum ersten Mal die Verwendung von hochreinen, lasergenerierten katalytischen Materialien in Kombination mit biobasierten, meso- und makroporösen Carbon-Formkörpern als Trägermaterial untersucht, um einen innovativen Katalysator für die effiziente Synthese von Methanol durch CO₂-Hydrierung zu entwickeln.
Reduktion von CO₂-Emissionen ist ein zentraler Bestandteil in der Bekämpfung des Klimawandels. Ein Weg ist die Bindung von CO₂ in nachhaltigen Produkten, z.B. durch katalytische Synthese von Methanol, welches als Basischemikalie ein wichtiger Ausgangsstoff vieler chemischer Produkte ist. Dazu werden spezielle Katalysatoren benötigt, die möglichst hohe Umsetzungsraten und lange Lebensdauer aufweisen. Kommerzielle Katalysatoren können diese Anforderungen nur bedingt erfüllen, da die katalytisch aktiven Nanopartikel unter Reaktionsbedingungen mit der Zeit agglomerieren. Die Herstellung dieser kommerziellen Katalysatoren (Trägermaterialien Al₂O₃, ZrO₂) ist ressourcen- und energieintensiv und es werden noch keine Nachhaltigkeitsaspekte berücksichtigt. 
Im vorliegenden Projekt sollen mittels Laserablation Nano-Material-Kolloide in Wasser hergestellt werden, wodurch auf fossil-basierte, toxische Chemikalien größtenteils verzichtet werden kann. Metallische Rohstoffe aus Recycling-Prozessen werden eingesetzt, wobei der Fokus auf Cu, Ni, Zn und Zr und deren Kombinationen liegt. Auf Edelmetalle und kritische Elemente wird verzichtet. Als Träger werden poröse bio-basierte Carbon-Formkörper mit optimierter Porenstruktur und Oberfläche entwickelt (durch Nachbehandlung), die anschließend mit den Nanopartikeln beladen bzw. imprägniert werden. Durch die Abstimmung von Porenstruktur und Partikelgröße wird eine anschließende Agglomeration der Nanopartikel bzw. Austragung verhindert/stark reduziert und somit die Leistung + Lebensdauer des Katalysators deutlich erhöht. 
Durch die Umsetzung von CO₂ zu Methanol kann das klimawirksame Treibhausgas verwertet werden (CCU Carbon Capture and Utilization) und somit können die Ziele der Sustainable Development Goals (SDG), speziell Klimawandel bekämpfen (SDG13) und nachhaltige Konsum- und Produktionsweisen (SDG12) vorangetrieben werden.
Durch die gezielte Immobilisierung und feine Verteilung der Nanopartikel auf dem biobasierten porösen Kohlenstoffträgermaterial wird bei Herstellung der neuen Katalysatoren der Anteil an benötigten Metallen (z. B. Cu) reduziert. Durch die Formbarkeit des Trägermaterials wird die Möglichkeit eines flexiblen Reaktordesigns geschaffen, wodurch einzelne Prozessparameter weiter optimiert werden können (z. B. eine effiziente Reaktorheizung).
Die neuen Katalysatormaterialien können am Ende ihres Lebenszyklus im Sinne der Kreislaufwirtschaft einfach aufgearbeitet (thermische Zersetzung) und somit die Metalle zurückgewonnen werden. So wird ein geschlossener Rohstoffkreislauf mit hoher Nachhaltigkeit realisiert.
Die Ökobilanzierung folgt der Lebenszyklusbewertung nach ISO 14044 und umfasst die Analyse des zu untersuchenden Produktionssystems (Synthese der Nanomaterialien, Herstellung der Trägermaterialien etc.), der Bilanzierung von potenziellen positiven und negativen Umweltauswirkungen (CO₂-Emissionen etc.).
Die Aspekte effiziente Ressourcen- und Rohstoffnutzung sowie effiziente Produktionstechnologien spielen für die Gesellschaft eine immer wichtigere Rolle. Mit diesem Projekt wird ein zukunftsweisender Schritt für nachhaltige Produktionstechnologien gemacht.