Der Grundstoff Methanol lässt sich unter Katalyse durch isolierte Metallatome aus Kohlendioxid und Wasserstoff herstellen. Das ist effizienter und umweltfreundlicher als bisherige Verfahren.
Methanol ist ein universeller Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedenster Chemikalien. Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalysatoren-Engineering an der ETH Zürich bezeichnet ihn gar als das «Schweizer Sackmesser der Chemie». Eine nachhaltige Chemie hängt daher zu einem grossen Teil an einer nachhaltigen Methanolproduktion.
Von der Kohlechemie zur Erdölchemie
Klassischerweise gewinnt man Methanol aus Methanol-Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Diese wiederum stellte man bis Anfang der 1950er Jahre durch Koksvergasung her, aus «Wassergas». Dabei stehen Kohlenstoff und Wasser im Gleichgewicht mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff: C + H2O ⇌ CO + H2, wobei auch das «Wassergasgleichgewicht» CO + H2O ⇌ CO2 + H2 eine Rolle spielt. Das Methanol bildet sich schliesslich gemäss der Reaktionsgleichung: CO + 2H2 → CH3OH.
Später dann ging man von der kohlebasierten zur erdölbasierten Chemie über und vergaste gasförmige und flüssige Brennstoffe. Das brachte verschiedene Vorteile mit sich. Ein Effizienzgewinn ergibt sich durch den gegenüber Kohle höheren Wasserstoffgehalt von Erdöl, Benzin oder methanreichen Erdgasen. Auch erwies sich ihre Vergasung unter Druck als technisch einfacher und weniger kostenträchtig im Vergleich zur Kohlevergasung mit nachfolgender Komprimierung des entstandenen Synthesegases.
Wie man es jedoch drehen und wenden mochte: Es blieb bei einer Methanolherstellung auf der Basis fossiler Ausgangsmaterialien. Wie es auch anders geht, demonstrierte vor sieben Jahren eine Arbeitsgruppe an der Universität Cambridge.
Ansätze zu einer grünen Methanolsynthese
Unter der Leitung des österreichischen Chemikers Erwin Reisner entwickelte man ein «künstliches Blatt». Dabei handelt es sich um ein von Sonnenlicht angetriebenes Gerät mit zwei Lichtabsorbern mit einem Kobalt-Katalysator. Der eine erzeugt Sauerstoff, der andere macht aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenmonoxid und Wasserstoff – Synthesegas! So ganz nebenbei wird damit auch das Klimagas Kohlendioxid verbraucht [1].
Indessen träumten andere Chemiker davon, Methan in Methanol umzusetzen. Dazu müsste allerdings eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung «aktiviert» werden, ein schwieriges Unterfangen. Doch es funktioniert beispielsweise mit einem Iridium-Katalysator, wobei ein Iridiumatom pro Bindung benötigt wird. Alternativ dazu können Übergangsmetalle wie Wolfram eine Vielzahl von C-H-Bindungen aufbrechen und funktionalisieren. Mit Hilfe eines Rhodium- oder Iridium-Katalysators lässt sich Bor an terminalen C-H-Bindungen einfügen und anschliessend gegen andere Molekülgruppen austauschen [2].
Damit ruhte eine Hoffnung darauf, dass mit dem richtigen Katalysator alles möglich sein sollte. Oder die Natur hilft mit methanfressenden und methanolproduzierenden Bakterien. Eine interessante Entdeckung dabei betraf das Enzym, das die Reaktion als Bio-Katalysator federführend bestimmte: die Methanmonooxygenase. Sie sass bei einem einzelnen Kupfer-Ion. Unterm Strich konnten die methanotrophen Bakterien, die an der Southwestern University in Evanston (Illinois/USA) zum Einsatz kamen, das im Vergleich zum Treibhausgas Kohlendioxid klimaschädlichere Methan aus der Luft entfernen und zum Grundstoff Methanol umwandeln [3].
Einzelatom-Katalysator statt Aggregat
Aktuell hat nun die Forschergruppe um Javier Pérez-Ramírez an der ETH Zürich einen sogenannten Einzelatom-Katalysator mit isolierten Indium-Atomen auf einem Trägermaterial designt und hergestellt, um Kohlendioxid und Wasserstoff in Methanol umzuwandeln. Im Gegensatz dazu liegen Metalle in konventionellen Katalysatoren meist als Aggregate vor, meist als kleine Partikel mit hundert bis mehreren tausend Metallatomen. Die Wissenschaftler konnten insbesondere zeigen, dass isolierte Indium-Atome auf Hafniumoxid die CO2-basierte Methanol-Synthese effizienter machen als Indium in Form von Nanopartikeln aus vielen Atomen [4].
Ausserdem stellen solche Nanopartikel für analytische Untersuchungen eine Black-Box dar. Während die Katalyse-Vorgänge nur an den wenigen Atomen auf der Oberfläche ablaufen, stammen viele Messsignale aus dem Inneren der Partikel – von Atomen, die an der Reaktion gar nicht beteiligt waren. Das erschwert die Interpretation. In Katalysatoren mit isolierten Atomen hingegen lassen sich die Reaktionsmechanismen mit viel weniger störenden Signalen analysieren [5]. Dies erlaubt eine gezieltere Optimierung des Designs.
ETH-Katalysator trotzt Extrembedingungen
Ein entscheidender Faktor beim gezielten Katalysator-Design stellt die spezifische Struktur des Trägermaterials dar. Es bietet den Atomen eine stabile und zugleich reaktive Umgebung. Darüber hinaus bleibt die Gesamtkonstruktion auch unter hohen Temperaturen stabil. In einem getesten Herstellungsverfahren wurden 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.
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 [5].
Es versteht sich von selbst, dass das Verfahren als Ganzes nur dann als klimaneutral gelten kann, wenn die Energie für die Produktion des Wasserstoffs und die Katalyse nachhaltig erzeugt wird. Auf jeden Fall erschliesst sich mit den Arbeiten an der ETH ein Weg, Kohlendioxid aus der Atmosphäre als Rohstoff zur Methanolgewinnung zu verwenden.
Christian Ehrensberger
Literatur
1. Andrei, V., Reuillard, B. & Reisner, E. Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems. Nat. Mater. 19, 189-194 (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-019-0501-6
2. Raphael Oeschger et al. Diverse functionalization of strong alkyl C–H bonds by undirected borylation. Science 368,736-741(2020). DOI:10.1126/science.aba6146
3. Matthew O. Ross et al. Particulate methane monooxygenase contains only mononuclear copper centers. Science 364,566-570(2019). DOI:10.1126/science.aav2572
4. 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 Seite10.1038/s41565-026-02135-y
5. Daniel Meierhans, Mit einzelnen Atomen zu einer Chemie ohne fossile Rohstoffe. https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2026/03/mit-einzelnen-atomen-zu-einer-chemie-ohne-fossile-rohstoffe.html, Zugriff am 11.3.2026
