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Veröffentlicht: 01.11.2012, 06:00 Uhr

Chemische Synthese Vom Abgas zum wertvollen Rohstoff

Das reaktionsträge Kohlendioxid lässt sich mit chemischen Kunstgriffen effizient in Ameisensäure verwandeln. Letzteres ist wiederum eine Ausgangssubstanz für viele Chemikalien.

von Uta Bilow
© AFP Hebei, China

Kohlendioxid ist ein Molekül, das Klimaforscher und Chemiker gleichermaßen beschäftigt. Einerseits wird das Gas bei Verbrennungsvorgängen in großen Mengen freigesetzt und führt in der Atmosphäre zu spürbaren Klimaveränderungen. Andererseits ist Kohlendioxid eine für die chemische Synthese überaus interessante Quelle für Kohlenstoff. Schon heute wird Kohlendioxid in chemischen Syntheseanlagen in eine Reihe von Produkten verwandelt. Fünfzig Millionen Tonnen (Megatonnen) des Gases jährlich nutzt man allein zur Produktion von Harnstoff, der wiederum als Düngemittel gebraucht oder zu Kunstharzen weiterverarbeitet wird. Durch die Hydrierung von Kohlendioxid unter hohem Druck lässt sich Methanol herstellen.

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Viele Wissenschaftler versuchen, Kohlendioxid in weitere hochwertige Substanzen zu überführen. Dabei besteht eine grundsätzliche Schwierigkeit: Das Molekül ist äußerst energiearm und damit recht reaktionsträge. Daher muss man ihm auf die Sprünge helfen, beispielsweise mit zugeführter Energie, durch entsprechende Katalysatoren oder andere chemische Kunstgriffe. Chemiker um Walter Leitner von der RWTH Aachen etwa haben ein neues Konzept erprobt, mit dem man Kohlendioxid effizient zu Ameisensäure verarbeiten kann. Ameisensäure ist eine wichtige Verbindung für die Produktion von Textilien und Leder. Sie wird aber auch als möglicher Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen diskutiert.

Doppelrolle für Treibhausgas

Kohlendioxid lässt sich zwar mit Wasserstoff zu Ameisensäure reduzieren. Dabei handelt es sich aber um eine Gleichgewichtsreaktion, bei der das Gleichgewicht deutlich auf der Seite der Gase liegt. Leitner und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen und dabei die produzierte Ameisensäure fortlaufend aus dem Reaktor zu entfernen. Dadurch wird die Säure ständig nachgebildet. Die unerwünschte Rückreaktion unterbleibt. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Bd. 124, S. 8713) berichten, dient das Kohlendioxid bei der Reaktion nicht nur als Ausgangsstoff, sondern auch als Lösungsmittel für die Abtrennung des Produkts.

Überkritisches Lösungsmittel

In ihren Reaktor füllten die Chemiker Wasserstoff, eine ionische Flüssigkeit - ein Salz mit sehr niedrigem Schmelzpunkt -, einen Katalysator sowie überkritisches Kohlendioxid. In diesem besonderen Zustand steht das Gas unter hohem Druck, wodurch es zu einem ausgezeichneten Lösungsmittel wird, das man üblicherweise zur Entkoffeinierung von Kaffee verwendet. Die im Reaktor durch Hydrierung gebildete Ameisensäure löst sich im überkritischen Kohlendioxid, welches kontinuierlich abgeleitet wird. Außerhalb des Reaktors wird durch Absenken des Drucks die Ameisensäure aus dem Kohlendioxid freigesetzt und abgetrennt. Das Kohlendioxid führt man anschließend wieder in den Reaktor ein. Leitner und seine Kollegen haben den Prozess im Labor mehr als zweihundert Stunden lang erfolgreich betrieben.

Unterdrückte Rückreaktion, Teil 2

Einen anderen Weg, Kohlendioxid in Ameisensäure zu verwandeln, haben spanische Chemiker ersonnen. Wie Luis Oro und seine Kollegen von der Universität in Saragossa in der gleichen Zeitschrift berichten, haben sie Kohlendioxid ebenfalls reduziert und als siliziumhaltigen Ameisensäureester - ein sogenanntes Silylformiat - abgefangen (doi: 10.1002/ange.201206165). Auch auf diese Weise lässt sich die unerwünschte Rückreaktion unterbinden. Als wesentlich für die erfolgreiche Synthese des Silylformiat erwies sich ein Katalysator auf der Grundlage von Iridium. Aus den gewonnenen Silylformiaten haben die Forscher einerseits Ameisensäure freigesetzt, andererseits die gewonnenen Ester zur Herstellung von Silikon-Polymeren verwendet.

Geringe, aber nützliche Mengen

Die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid gelingt immer besser, wie die beiden Beispiele zeigen. Allerdings darf man nicht übersehen, dass auf dem Syntheseweg nur ein geringer Anteil an Kohlendioxid gebunden werden kann. Maximal ein Prozent der weltweit ausgestoßenen Menge, so schätzen Fachleute, kann auf diese Weise verarbeitet werden. Das ist immerhin ein - wenn auch kleiner - Beitrag zur Stabilisierung des Klimas. Im Unterschied zu anderen Maßnahmen zur Verminderung der Kohlendioxid-Konzentration erhält man obendrein wertvolle Produkte.

Quelle: F.A.Z.

 

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