Die beste Lösung

Das Gleichgewicht aushebeln

4. Oktober 2018 Membranforschung

Intensive Kontakte nach China pflegt der Membranforscher Jürgen Caro von der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover. Er hatte bereits 14 chinesische Gastwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler bei sich am Institut, ist immer wieder an deutsch-chinesischen Projekten beteiligt und selbst regelmäßig in China, unter anderem als Gastprofessor an verschiedenen Einrichtungen.

Kohlenstoff gilt als

Mit einem seiner ehemaligen Postdoktoranden, Aisheng Huang vom Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, erforscht Jürgen Caro ein Konzept für einen neuen Membranreaktor. Dieser soll aus Kohlendioxid den Rohstoff Dimethylether (DME) erzeugen: eine gute Möglichkeit, um klimaschädliches CO2 etwa aus Abgasen von Kraftwerken zu nutzen. DFG und NSFC fördern das Vorhaben seit 2017 mit einer gemeinsamen deutsch-chinesischen Sachbeihilfe. DME ist ein wichtiger Grundstoff für die chemische Industrie, etwa um Olefine, Methylacetat oder Formaldehyd herzustellen. Üblicherweise wird der Rohstoff aus der Dehydrierung von Methanol gewonnen – und zwar aus einem Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das passiert in zwei Stufen: Zuerst wird Methanol hergestellt, danach in einem separaten Schritt daraus das DME erzeugt. Doch dabei entsteht als Nebenprodukt Wasser, was den weiteren Fortgang der Reaktion dummerweise hemmt. Da die Entstehung von Wasser nicht verhindert werden kann, greifen Huang und Caro zu einem Trick: Sie entfernen das Wasser, sobald es sich gebildet hat. Dazu haben sie eine sogenannte bifunktionelle Zweischichtmembran entwickelt. Während an der einen Schicht DME aus Methanol entsteht, trennt die andere Schicht das entstandene Wasser sofort ab. Anschließend wird es abgesaugt. „So eine Membran ist neu und wurde bislang technisch noch nicht realisiert", sagt Caro.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Alle Prozesse im Membranreaktor können unter derselben Temperatur und demselben Druck ablaufen – und das im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren bei tieferer Temperatur und bei Normaldruck. Dies vermeidet
außerdem weitere unerwünschte Nebenprodukte wie Koks. „Insgesamt wird mehr Methanol umgesetzt, und damit haben wir eine vergleichsweise hohe DME-Gewinnung", betont Caro. Sowohl er als auch Huang zählen zu den führenden Experten auf dem Gebiet anorganischer Membranen. „Das Projekt ist ein Paradebeispiel für sich gegenseitig ergänzende Expertise, bei dem eins plus eins mehr ergibt als zwei", so Caro. 2018 beginnt der Messbetrieb mit dem selbst gebauten Reaktor.

Die Rohstoffwende einleiten

Interessant für die chemische Indus­trie sind auch die Arbeiten des deutsch-chinesischen Projekts von Bastian Etzold, TU Darmstadt, und Wei Qi von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Sie entwickeln eine neue Generation von Katalysatoren. „Wir wollen den nächsten Schritt auf dem Weg zur ‚grünen‘ Chemie machen und Kohlenstoff als Alternative für die heute vorherrschenden Katalysatormaterialien wie Metalle beziehungsweise Metalloxide etablieren", erläutert Bastian Etzold. DFG und NSFC fördern das 2017 gestartete Vorhaben zur „Wissenschaftsbasierten Entwicklung von neuen mesoporösen graphitischen Kohlenstoffen als Katalysatoren für die oxidative Dehydrierung von Alkoholen" mit einer gemeinsamen Sachbeihilfe.

Viele Endprodukte der chemischen Industrie beruhen heute auf Erdöl. Diese Abhängigkeit von einem fossilen Rohstoff soll sich ändern. Im Rahmen einer Rohstoffwende sollen Grundchemikalien wie Olefine oder Aldehyde künftig aus Biomasse gewonnen werden. Genau da setzt das Projekt an. „Wir wollen die Biomasse in Alkohol umwandeln und daraus die Grundchemikalien erzeugen", so Etzold. „Alkohole wie Ethanol oder Butanol bestehen aus einfachen Molekülen und lassen sich gut erzeugen. Die Verfahren sind zum Teil seit Jahrhunderten bekannt." Dieser Ansatz hätte auch für die Industrie Vorteile. Die bestehende Infrastruktur für die Herstellung müsste nicht neu aufgebaut werden wie bei anderen Biomasse-Produktionsketten. „Noch ist Erdöl billiger, aber langfristig ist das eine sehr interessante Alternative", sagt der Technische Chemiker.

Die Forscherinnen und Forscher suchen zunächst nach einem nachhaltigen Katalysator für die Umwandlung des Alkohols zu Aldehyd. „Bestehende Katalysatoren verwenden Gold, das führt jedoch zu umweltschädlichen Quecksilber-Emissionen." Die Darmstädter versuchen es daher mit reinem porösem Kohlenstoff, der auf sogenannter Aktivkohle beruht. „Aktivkohle kann man aus Holz oder Kokosnüssen gewinnen. Der poröse Kohlenstoff erfüllt alle unsere Vorgaben hinsichtlich Selektivität, Aktivität und gesundheitlicher Unbedenklichkeit", ergänzt Alfons Drochner, Arbeitsgruppenleiter im Fachgebiet von Bastian Etzold. Der Vorgänger von Bastian Etzold, Herbert Vogel, ist Experte für partielle Oxidation, Etzold für Kohlenstoffmaterialien. „Nach meiner Berufung 2015 haben wir gezielt nach Synergien gesucht, um diese Schwerpunkte zu verbinden", berichtet Etzold.

Der Kontakt nach China entstand über das Chinesisch-Deutsche Zentrum für Wissenschaftsförderung, einer gemeinsamen Einrichtung von DFG und NSFC. „Dort habe ich Professor Dang-Sheng Su kennengelernt, einen der Vorreiter auf dem Gebiet der Oxidationsreaktionen von Kohlenstoff. Nach meinem Gastaufenthalt in China ist die Idee zu dem gemeinsamen Projekt mit einem seiner Arbeitsgruppenleiter, Professor Wei Qi, entstanden. Unsere Expertisen ergänzen sich perfekt", so Etzold. Die beiden Partner haben sich die Aufgaben aufgeteilt. Während in Deutschland Ethanol untersucht wird, steht in China zunächst Butanol im Vordergrund. Ergebnisse und Materialien werden ausgetauscht, um am Ende die beste Lösung zu finden.