Forscher*innen am MPI CEC haben eine neue Methode entwickelt, um eine wichtige chemische Reaktion - die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) in nützliche chemische Rohstoffe - bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bisher möglich durchzuführen.
Bei dieser Reaktion, die als „umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion” bezeichnet wird, wird CO₂ mit Wasserstoff (H₂) zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasser umgesetzt. CO ist für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, Kunststoffen und Düngemitteln unerlässlich. Traditionell erfordert dieser Prozess extreme Hitze (über 500 °C), was einen enormen Energieverbrauch und eine starke Belastung der Anlagen mit sich bringt. Der in Angewandte Chemie veröffentlichte Durchbruch nutzt die selektive Erwärmung von Katalysatormaterialien durch magnetische Induktion, um den Energiebedarf zu senken und gleichzeitig die katalytische Leistung zu steigern.
Das Team unter der Leitung von Alexis Bordet in der Abteilung von Walter Leitner am MPI CEC entwickelte ein neuartiges multifunktionales Katalysatorsystem: einen Standardkatalysator auf Kupfer-Aluminium-Basis, der magnetische Eisen-Nanopartikel enthält. In einem Wechselstrommagnetfeld (ähnlich wie bei Induktionskochfeldern) erwärmen sich die Eisen-Nanopartikel sofort wie nanoskopische Heizplatten und erwärmen den Katalysator selektiv auf etwa 300 °C. Die Reaktorkammer bleibt dabei kühl (max. 125 °C). So entstehen „Hotspots“, an denen die Reaktion optimal abläuft, während die kühlere Umgebung einen wichtigen Vorteil mit sich bringt: Wasserdampf kondensiert zu Flüssigkeit und wird so effektiv aus dem System entfernt.
„Das katalytische System erzeugt seine eigene Wärmeenergie, um eine für einen effizienten Betrieb ausreichende Temperatur zu erreichen, während die Gesamtkonfiguration für die Reaktion günstig und energiesparend bleibt“, erklärt Junhui Hu, Erstautor des Forschungsartikels und Doktorand am MPI CEC.
Bemerkenswert ist, dass dieser Ansatz bis zu 62 % CO erzeugte und damit weit über das hinausging, was mit herkömmlichen Methoden bei derselben Reaktortemperatur erreicht wird. Zwei Effekte tragen zu dieser Steigerung bei:
- Lokaler Wärmevorteil: Die Reaktionsleistung hängt von der Temperatur des Katalysators (300 °C) ab, nicht von der kühleren Umgebung des Reaktors.
- Wasserentfernung: Kondensierendes Wasser verschiebt das Reaktionsgleichgewicht in Richtung einer effizienteren CO-Produktion (vgl. Le-Chatelier-Prinzip).
Die Energieeinsparungen waren dramatisch: Um die gleiche CO-Menge zu produzieren, verbrauchte der magnetisch beheizte Katalysator 40-mal weniger Energie als ein konventionell beheizter Reaktor. Dies ist auf die sofortige, lokale Erwärmung zurückzuführen, wodurch das langsame Vorheizen des Ofens umgangen und Wärmeverluste vermieden werden. Der Prozess reduziert auch den Verschleiß an Geräten und Katalysatoren. Dieser Ansatz wurde zwar für die Umwandlung von CO₂ in CO demonstriert, könnte aber auch für andere wärmeintensive Umwandlungsprozesse sowohl im Labormaßstab als auch in praktischen Anwendungen von Nutzen sein.
Die Arbeit veranschaulicht, wie durch cleveres Materialdesign an der Schnittstelle von Chemie und Physik katalytische Herausforderungen bewältigt und der Weg zu einer stärker elektrifizierten und nachhaltigeren chemischen Industrie geebnet werden kann.
Original Paper:
Hu, J., Lacroix, L.-M., Johny, J., Ghosh, S., Wolf, E. H., Ji, J., Lin, S.-H., Durai, M., Schöne, A. B., Hetaba, W., Ruland, H., Leitner, W., Bordet, A. Low-Temperature Reverse Water–Gas Shift Enabled by Magnetically Induced Catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e23576. https://doi.org/10.1002/anie.202523576
Dr. Alexis Bordet dankt der Gordon and Betty Moore Foundation für ihre großzügige finanzielle Unterstützung.
Für eine aktuelle wissenschaftliche Perspektive zur magnetisch induzierten Katalyse:
Bordet, A., Leitner, W., Chaudret, B. Magnetically-Induced Catalysis: Definition, Advances and Potential. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424151. https://doi.org/10.1002/anie.202424151