Dual-Energie-Katalyse eröffnet neue Wege für Kohlenstoffrecycling

Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoffe und Chemikalien mit erneuerbarer Energie stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zum Kohlenstoffrecycling dar. Die Stabilität von CO2-Molekülen macht deren Aktivierung jedoch energieintensiv und ineffizient, wenn nur eine einzelne Energiequelle genutzt wird. Aktuelle Forschungsergebnisse unterstreichen das Potenzial der Kopplung mehrerer Energiequellen – wie Licht mit Wärme, Elektrizität mit Wärme oder Plasma mit thermischer Energie – um synergistische Effekte zu erzeugen, die Effizienz, Selektivität und Stabilität verbessern.

Die CO2-Reduktion ist zentral für die Erreichung der Kohlenstoffneutralität, wird jedoch durch starke chemische Bindungen und träge Reaktionskinetik behindert. Konventionelle katalytische Ansätze – einschließlich Thermokatalyse, Photokatalyse, Elektrokatalyse und Plasmakatalyse – haben wichtige Fortschritte erzielt, sehen sich jedoch mit Einschränkungen wie hohem Energieverbrauch, geringer Selektivität oder unzureichenden Produktausbeuten konfrontiert. Diese Herausforderungen haben das Interesse an Hybridsystemen geweckt, die mehrere Energieeinträge kombinieren.

Ein Forschungsteam der Shenzhen University of Advanced Technology und Kooperationspartner hat eine umfassende Übersichtsarbeit (DOI:10.1016/j.esci.2024.100306) zu synergetischen energiegekoppelten katalytischen Systemen für die CO2-Reduktion veröffentlicht. Der im Mai 2025 in eScience online erschienene Artikel untersucht, wie die Integration thermischer, photochemischer, elektrischer und Plasma-Energien in katalytische Systeme synergistische Effekte erzeugt, die die CO2-Umwandlungseffizienz signifikant steigern.

Die Übersicht kategorisiert energiegekoppelte Systeme in photothermische, elektrothermische und plasma-thermische Ansätze. Die photothermische Katalyse kombiniert Licht und Wärme, maximiert die Nutzung des Sonnenspektrums und senkt gleichzeitig den hohen Energiebedarf eigenständiger Thermokatalyse. Elektrothermische Systeme nutzen Widerstandsheizung durch elektrische Ströme, um CO2-Methanierung und verwandte Reaktionen zu beschleunigen. Plasma-thermische Kopplung nutzt nichtthermische Plasmen, die unter milden Bedingungen energiereiche Elektronen und Radikale erzeugen und in Kombination mit nanostrukturierten Katalysatoren hohe CO2-Umwandlungsraten bei geringeren Energiekosten erreichen.

„Einzelmodus-Katalysestrategien für die CO2-Reduktion haben möglicherweise ihre Leistungsgrenzen erreicht“, erklärten Professor Hui-Ming Cheng und Professor Xiaolong Zhang, Koautoren der Übersichtsarbeit. „Durch die Nutzung der synergetischen Effekte kombinierter Energieeinträge können wir neue Reaktionswege erschließen, die Selektivität für wertvolle Produkte erhöhen und den Energieverbrauch signifikant reduzieren.“

Synergetische energiegekoppelte katalytische Systeme versprechen sowohl Umweltverbesserungen als auch saubere Energieproduktion. Durch effizientere und selektivere CO2-Reduktion ermöglichen diese Systeme die nachhaltige Produktion von Kraftstoffen wie Methanol, Methan und mehrkohlenstoffigen Kohlenwasserstoffen sowie industriell relevanter Chemikalien wie Ethanol und Essigsäure. Über das Kohlenstoffrecycling hinaus bieten diese hybriden katalytischen Ansätze eine Blaupause für die effektivere Nutzung erneuerbarer Elektrizität und Solarenergie in der chemischen Industrie. Bei erfolgreicher Skalierung könnten sie die Lücke zwischen Laborforschung und industrieller Anwendung überbrücken und einen praktikablen Weg zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zur Erreichung langfristiger Kohlenstoffneutralitätsziele bieten. Weitere Informationen sind unter https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100306 verfügbar.