Kann man CO₂ wieder zurück in Kohlenstoff und Sauerstoff verwandeln? Blog#281
Bei der Verbrennung fossiler Energieträger wird Kohlenstoff mit Sauerstoff zu Kohlendioxid umgesetzt:
C + O₂ → CO₂
Dabei wird Energie frei. Die umgekehrte Reaktion ist grundsätzlich möglich, benötigt aber mindestens wieder die Energie, die bei der Verbrennung freigesetzt wurde:
CO₂ → C + O₂
Die zentrale Frage lautet daher: Lässt sich Kohlendioxid mithilfe von Licht direkt wieder in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff überführen?
Genau diese bislang nicht realisierte Schlüsselreaktion untersucht der Chemiker und Nobelpreisträger Benjamin List, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Sein Ziel ist eine extrem vereinfachte Form künstlicher Photosynthese: CO₂ soll mithilfe von Licht direkt in reinen Kohlenstoff und Sauerstoff umgewandelt werden. Dabei handelt es sich ausdrücklich um Grundlagen- und Konzeptforschung, nicht um eine marktreife Technologie.
Bezug zur biologischen Photosynthese
Pflanzen nutzen Sonnenlicht, um Kohlendioxid und Wasser in energiereiche organische Verbindungen umzuwandeln. Vereinfacht lässt sich die Gesamtreaktion mit Glucose beschreiben:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Die natürliche Photosynthese beruht auf einem hochkomplexen biologischen Apparat aus Lichtabsorption, Elektronentransport, Protonengradienten, Wasseroxidation und CO₂-Fixierung.List versucht, dieses komplexe System auf das chemische Grundprinzip zu reduzieren: Lichtenergie soll eine katalytische Reaktion antreiben, die CO₂ direkt zu elementarem Kohlenstoff und Sauerstoff reduziert beziehungsweise oxidiert. Die Idee besteht damit gewissermaßen darin, den Kohlenstoffkreislauf der Photosynthese auf seine elementare chemische Bilanz zu reduzieren.
Warum ist die Reaktion thermodynamisch so schwierig?
Kohlendioxid ist ein thermodynamisch äußerst stabiles Molekül. Für die Umwandlung von gasförmigem CO₂ in Graphit und gasförmigen Sauerstoff gilt unter Standardbedingungen näherungsweise:
CO₂ (g) → C (Graphit) + O₂ (g) (ΔG° ≈ +394 kJ/mol)
Die positive Gibbs-Energie zeigt, dass die Reaktion unter Standardbedingungen nicht spontan abläuft. Pro Mol CO₂ müssen mindestens rund 394 kJ freie Energie zugeführt werden.Redoxchemisch betrachtet wird der Kohlenstoff von der Oxidationsstufe +IV auf 0 reduziert, während die beiden Sauerstoffatome von −II auf 0 oxidiert werden. Dies entspricht formal einem 4-Elektronen-Reduktionsschritt für das Kohlenstoffzentrum, der streng an die Oxidation der beiden Oxid-Ionen gekoppelt ist. Ein Katalysator kann die Aktivierungsbarriere einer Reaktion senken und damit ihre Geschwindigkeit erhöhen. Er kann jedoch die thermodynamische Energiebilanz nicht verändern. Die für die endergonische Gesamtreaktion erforderliche Energie muss von außen zugeführt werden. In einem realen Prozess kommen darüber hinaus unvermeidbare Verluste hinzu, etwa durch Lichtabsorption, Wärmeverluste, Nebenreaktionen und die Rückreaktion zu CO₂.
Warum 300 nm interessant sind
Die Energie eines Photons hängt über E = (h · c) / λ von seiner Wellenlänge ab. Bei λ = 300 nm besitzt ein Mol Photonen eine Energie von ca. 399 kJ/mol – was rein rechnerisch dem thermodynamischen Mindestbedarf für die CO₂-Spaltung entspricht.
Dies ist allerdings ein theoretischer Grenzwert. In der Praxis reicht ein einzelnes 300-nm-Photon im Ein-Photonen-Prozess kinetisch nicht aus, um das CO₂-Molekül direkt zu spalten. Für einen technischen Prozess ist es daher entscheidend, sich nicht auf die wenigen hochenergetischen UV-Photonen des Sonnenlichts zu beschränken. Stattdessen geht es darum, Photokatalysatoren zu entwickeln, die das breite sichtbare Spektrum der Sonnenstrahlung effizient nutzen und die Lichtenergie über mehrere aufeinander abgestimmte, photoinduzierte Elektronenübertragungen (Multi-Photonen-Prozesse) für die schrittweise CO₂-Aktivierung bereitstellen. Die genaue mechanistische Umsetzung ist Gegenstand aktueller Forschung.
Die chemischen Ansätze
Die Mülheimer Arbeitsgruppe verfolgt derzeit drei unterschiedliche Forschungsrichtungen: homogene Katalyse, heterogene Katalyse und einen biologischen Ansatz.- Homogene Photokatalyse: Hier stehen kleine organische Moleküle im Mittelpunkt, die als Katalysatoren geeignete Reaktionszyklen ermöglichen sollen. Damit knüpft List unmittelbar an das Prinzip der Organokatalyse an, für deren Entwicklung er 2021 gemeinsam mit David MacMillan den Nobelpreis für Chemie erhielt. Theoretische Arbeiten und Katalysezyklen werden dabei unter anderem in Zusammenarbeit mit der Hokkaido University in Japan berechnet.
- Heterogene Katalyse: Der zweite Ansatz nutzt feste, metall- oder halbleiterbasierte Katalysatoren. Unter anderem untersucht das Team Metalloxide und andere Festkörpermaterialien, die einzelne Schritte der CO₂-Aktivierung und -Reduktion ermöglichen könnten. In der Literatur sind beispielsweise Germanium-verbindungen beschrieben, die CO₂ zu Kohlenmonoxid (CO) oder anderen C₁-Produkten reduzieren können; solche Systeme dienen als konzeptionelle Referenzpunkte für die Entwicklung neuer heterogener Photokatalysatoren. Ein wesentliches Problem heterogener Systeme ist die Deaktivierung des Katalysators durch abgeschiedenen Kohlenstoff. Die Forscher orientieren sich dabei unter anderem an Verfahren, bei denen Kohlenstoff kontinuierlich von einer Katalysatoroberfläche entfernt wird.
- Biologische Katalyse: Besonders ungewöhnlich ist der dritte Ansatz. Hier soll untersucht werden, ob Mikroorganismen oder Enzyme CO₂ aufnehmen und elementaren Kohlenstoff abscheiden können. Die Idee ist von der Photosynthese inspiriert, geht aber einen entscheidenden Schritt weiter: Statt Kohlenstoff in Form organischer Moleküle zu speichern, soll er direkt als elementarer Kohlenstoff freigesetzt werden. Ob ein solcher biologischer Mechanismus tatsächlich existiert und technisch nutzbar gemacht werden kann, ist derzeit völlig offen.
Was in der Marsatmosphäre passiert
In der oberen Marsatmosphäre trifft energiereiche UV- und EUV-Strahlung auf CO₂-Moleküle und kann diese photochemisch spalten. Dabei entstehen zunächst vor allem Kohlenmonoxid (CO) und atomarer Sauerstoff (O). In nachfolgenden Reaktionen kann sich daraus molekularer Sauerstoff (O₂) bilden. Auch atomarer Kohlenstoff entsteht über weitere photochemische und ionenchemische Reaktionswege.Der Mars zeigt damit, dass energiereiche Strahlung die sehr stabile CO₂-Struktur aufbrechen und Kohlenstoff und Sauerstoff in unterschiedliche chemische Spezies überführen kann. Es ist jedoch kein direkter Nachweis für die technische Reaktion CO₂ → C + O₂. Für Lists Forschungsprojekt ist der Mars deshalb eher ein interessantes Naturphänomen als ein Existenzbeweis für die angestrebte Umsetzung.
Welche Größenordnung wäre für das Klima relevant?
Um die Dimensionen zu verstehen, hilft ein Blick auf die weltweiten Massen- und Energiebilanzen. Die Menschheit emittiert derzeit rund 40 Gigatonnen CO₂ pro Jahr. Ein System, das 1 Gigatonne CO₂ pro Jahr aus der Luft entfernt, würde damit etwa 2,5 % dieser Emissionen kompensieren – und wäre bereits eine gewaltige industrielle Leistung.
Massenbilanz: 1 Gigatonne CO₂ enthält etwa 273 Millionen Tonnen Kohlenstoff denn auf 44 Tonnen CO₂ entfallen 12 Tonnen Kohlenstoff. Zum Vergleich: 2025 wurden weltweit rund 74 Millionen Tonnen Primäraluminium und 1,85 Milliarden Tonnen Rohstahl produziert. Eine CO₂-Umwandlung in dieser Größenordnung würde somit eine zusätzliche Material- und Prozessinfrastruktur erfordern, die zumindest in die Dimensionen der heutigen Schwerindustrie hineinreicht.
Energetischer Mindestbedarf: Für die thermodynamische Umwandlung von 1 Gigatonne CO₂ sind theoretisch rund 2.500 TWh freie Energie nötig. Das entspricht etwa dem Fünffachen der jährlichen Bruttostromerzeugung Deutschlands (ca. 500 TWh) – wohlgemerkt bei einem idealisierten Wirkungsgrad von 100 %. Bei realistischen Prozesswirkungsgraden der chemischen Umwandlung (Strom-zu-Produkt) von etwa 10 bis 20 % steigt der tatsächliche elektrische Energiebedarf auf ca. 12.500 bis 25.000 TWh. Das entspräche etwa 40 bis 80 % der heutigen weltweiten Stromerzeugung.
Flächenbedarf für Sonnenenergie: Soll dieser enorme Energiebedarf durch Photovoltaik gedeckt werden, muss der gesamte Systemwirkungsgrad (Sonneneinstrahlung zu chemischem Endprodukt) betrachtet werden. Nimmt man einen sonnenreichen Standort mit etwa 1.700 kWh/m²·a Sonneneinstrahlung und einen Systemwirkungsgrad von 5 % an (Kombination aus Photovoltaik- und chemischen Prozessverlusten), wären rund 29.000 km² Solarfläche erforderlich, um den thermodynamischen Energiegehalt von 2.500 TWh im Endprodukt zu binden. Das entspricht ungefähr der Fläche Belgiens.Fazit
- Benjamin Lists Ansatz ist wissenschaftlich außerordentlich ambitioniert: CO₂ soll mithilfe von Licht direkt in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff gespalten werden. Gelingt dies, ließe sich der in CO₂ gebundene Kohlenstoff dauerhaft als Feststoff abtrennen und damit ein Teil des Kohlenstoffkreislaufs gewissermaßen in umgekehrter Richtung betreiben – als energetische Umkehrung der fossilen Verbrennung.
- Der besondere Reiz des Konzepts liegt darin, dass der Kohlenstoff nicht zunächst über Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe oder andere Zwischenprodukte geführt werden müsste. Stattdessen würde unmittelbar fester Kohlenstoff entstehen, der sich vergleichsweise einfach speichern und – je nach Materialeigenschaften und Prozessführung – industriell nutzen ließe.
- Die quantitativen Dimensionen verdeutlichen allerdings die enormen Herausforderungen. Bereits die Verarbeitung von einer Gigatonne CO₂ pro Jahr würde erhebliche Mengen an Energie, Reaktionsfläche und technischer Infrastruktur erfordern. Selbst bei einer erfolgreichen Entwicklung eines geeigneten photochemischen Verfahrens wären daher noch große Schritte von der chemischen Machbarkeit zur industriellen Skalierung notwendig.
- Der Ansatz wäre folglich kein Ersatz für die Vermeidung fossiler CO₂-Emissionen. Falls sich die direkte photochemische Spaltung von CO₂ überhaupt technisch und wirtschaftlich realisieren lässt, könnte sie langfristig vielmehr ein zusätzliches Instrument zur Entfernung bereits emittierten CO₂ aus der Atmosphäre darstellen.
- Entscheidend ist jedoch der heutige Entwicklungsstand: Die zentrale Reaktion – die direkte, effiziente und skalierbare Umwandlung von CO₂ in elementaren Kohlenstoff und Sauerstoff – ist bislang experimentell nicht nachgewiesen. Das Konzept ist deshalb vor allem wissenschaftlich faszinierend und eröffnet eine ungewöhnliche Perspektive auf die chemische Rückgewinnung von Kohlenstoff. Für einen nennenswerten Beitrag zur Reduktion des atmosphärischen CO₂ in den kommenden Jahrzehnten sehe ich derzeit jedoch keine realistische Grundlage.
