Mit einzelnen Atomen zu einer Chemie ohne fossile Rohstoffe

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In Kürze

• Die Wissenschaft sucht nach Möglichkeiten, mit Katalysatoren chemische Reaktionen effizienter zu machen. Rare Metalle möchte sie dabei möglichst sparsam einsetzen.
• Mit einzelnen isolierten Indium-Atomen auf einem Trägermaterial schufen ETH-Chemiker:innen einen Katalysator, der CO₂ und Wasserstoff hocheffizient in Methanol umwandelt.
• Aus Methanol lassen sich viele chemische Proudukte herstellen, darunter Kunststoffe und Treibstoffe. Die Methode legt die Basis für eine fossilfreie chemische Industrie.

Vor jeder chemischen Reaktion steht eine Hürde: Damit Stoffe miteinander reagieren können, muss zunächst Energie zugeführt werden. Oft ist diese Energiehürde klein, wie etwa beim Anzünden eines Streichholzes. Bei vielen für die Industrie wichtigen Reaktionen ist sie allerdings gross, und ein gesteigerter Energiebedarf treibt die Herstellungskosten in die Höhe. Um diese Hürde zu verringern, setzen Chemiker:innen Katalysatoren ein. Die besten dieser Reaktionshelfer enthalten Metalle, darunter solche, die rar sind.

Besser, sparsamer und weg vom Zufall

Chemiker:innen der ETH Zürich haben jetzt in der Katalysatorforschung einen Durchbruch auf mehreren Ebenen erreicht:

• Sie entwickelten einen Katalysator, der die Energiehürde bei der Herstellung von Methanol - einem Alkohol - aus dem Treibhausgas CO₂ und aus Wasserstoff deutlich senkt.
• Die Forschenden verwenden in ihrem Katalysator das Metall Indium, und das äusserst effizient: Jedes einzelne Indium-Atom wirkt als reaktionsaktive Stelle.
• Früher folgte die Katalysatorforschung oft dem Ansatz «auf gut Glück». Der neu entdeckte Katalysator ermöglicht eine präzisere Untersuchung der Mechanismen, die auf ihm ablaufen. Das macht den Weg frei zu einem rationalen Katalysator-Design.

Das Schweizer Taschenmesser der grünen Chemie

«Methanol ist ein universeller Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedenster Chemikalien und Materialien, etwa Kunststoffen - sozusagen das Schweizer Taschenmesser der Chemie», sagt Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalysatoren-Engineering an der ETH Zürich. Die Flüssigkeit ist deshalb zentral für die Umstellung auf eine nachhaltige und fossilfreie Herstellung von chemischen Produkten und Treibstoffen.

Wird die Energie für die Produktion des Wasserstoffs und die Katalyse nachhaltig erzeugt, kann Methanol damit unter dem Strich sogar klimaneutral hergestellt werden. Das eröffnet einen Weg, CO₂ aus der Atmosphäre als Rohstoff zu verwenden, statt es wie heute freizusetzen.

Maximale Nutzung der Metalle

«Unser neuer Katalysator hat soganennte Einzelatom-Architektur, bei der sich isolierte aktive Metallatome auf der Oberfläche eines gezielt entwickelten Trägermaterials verankert sind», erklärt Pérez-Ramírez. Im Gegensatz dazu liegen Metalle in konventionellen Katalysatoren meist als Aggregate vor, meist als kleine Partikel. Diese sind zwar winzig, enthalten aber oft Hundert bis mehrere Tausend Metallatome.

Kein Wunder sind Einzelatom-Katalysatoren aktuell ein Top-Thema in der Katalysatorforschung. Sie stellen das Nonplusultra in Sachen Nutzungseffizienz von teuren und seltenen chemischen Elementen geht. Werden Metalle als einzelne Atome eingesetzt, kann selbst der Einsatz von teuren Edelmetallen wirtschaftlich rentabel werden.

Wenn die Atome isoliert wirken können, verändern sich zudem häufig ihre katalytischen Eigenschaften. «Indium wird in diesem Katalysator bereits seit mehr als einem Jahrzehnt eingesetzt», sagt Pérez-Ramírez. «In unserer Studie zeigen wir, dass isolierte Indium-Atome auf Hafniumoxid die CO₂-basierte Methanol-Synthese deutlich effizienter ermöglichen als Indium in Form von Nanopartikeln aus vielen Atomen.»

Einzelne Atome am richtigen Platz

Um einzelne Indium-Atome gezielt auf der Hafniumoxid-Oberfläche zu verankern, entwickelte das interdisziplinäre ETH-Team zusammen mit Kollegen anderer Forschungseinrichtungen verschiedene Synthesewege. Entscheidend war dabei die spezifische Struktur des Trägermaterials, die den Atomen eine stabile und zugleich reaktive Umgebung bietet.

In einem gestesten Herstellungsverfahren werden die Ausgangsstoffe in einer Flamme bei 2000 bis 3000 Grad Celsius verbrannt und anschliessend rasch abgekühlt. Unter diesen Bedingungen bleibt das Indium bevorzugt an der Oberfläche und wird dort stabil eingebunden.

Mit dem Einbau der Katalysatoratome in einen hitzebeständigen Hafniumoxid-Träger zeigen die ETH-Chemiker:innen, dass Einzelatom-Katalysatoren selbst unter extremen Bedingungen stabil bleiben können. Damit rücken auch Reaktionen in Reichweite, die hohe Temperaturen und Drücke erfordern. Für die Synthese von Methanol aus CO₂ und Wasserstoffgas sind beispielsweise Temperaturen von bis zu 300 Grad nötig und ein Druck von bis dem 50-fachen des normalen Luftdrucks.

Katalysator-Metall und Matrix im Zusammenspiel

Kommt dazu, dass die bisherigen Nanopartikel für analytische Untersuchungen eine Black-Box waren. Während die Katalyse-Vorgänge nur an den wenigen Atomen auf der Oberfläche abliefen, stammten viele Messsignale aus dem Inneren der Partikel - von Atomen, die an der Reaktion gar nicht beteiligt waren. Das erschwerte die Interpretation. In Katalysatoren mit isolierten Atomen hingegen lassen sich hingegen die Reaktionsmechanismen mit viel weniger störenden Signalen analysieren.

Pérez-Ramírez forscht seit 2010 nicht nur an der ETH an besseren Katalysatoren für die Methanol-Herstellung aus CO₂. Er arbeitet auch eng mit der Industrie zusammen und hält mehrere Patente auf dem Gebiet. Entscheidend für die Entwicklung der neuen Einzelatom-Katalysator-Methode war das grosse Netzwerk, das in der Schweiz in Sachen Katalysatorforschung in den letzten Jahren entstanden ist, so Pérez-Ramírez: «Die Entwicklung des Methanol-Katalysators und die detaillierte Analyse des Mechanismus wäre ohne dieses interdisziplinäre Knowhow nicht möglich gewesen.»

Kompetenzzentrum für nachhaltige Chemieprozesse

Javier Pérez-Ramírez ist Leiter des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) externe Seite «Catalysis», in dem 45 Schweizer Forschungsgruppen an nachhaltigeren chemischen Prozessen arbeiten. Der Einzelatom-Katalysator zur Herstellung von Methanol ist ein weiterer grosser Schritt in dieser Richtung.

Literaturhinweis

Chiang YT, Ritopecki M, Willi PO, Raue K, Morales-Vidal J, Zou T, Agrachev M, Eliasson H, Wang J, Erni R, Stark WJ, Jeschke G, Grass RN, López N, Mitchell S, Pérez-Ramírez J: Single atoms of indium on hafnia enable superior CO₂-based methanol synthesis. Nature Nanotechnology 2. März 2026, DOI: externe Seite 10.1038/s41565-026-02135-y

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