Durchbruch bei Direct Air Capture: Forscher beobachten erstmals CO₂-Umwandlung in Graphit in Echtzeit
Ein Forschungsteam der University of California hat erstmals in Echtzeit beobachtet, wie CO₂ aus der Luft in festen Kohlenstoff umgewandelt wird. Die Erkenntnisse könnten die Produktion von Batteriematerialien revolutionieren.
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Ein internationales Forschungsteam hat einen wichtigen Schritt zum Verständnis der direkten CO₂-Abscheidung aus der Luft gemacht. In einer Studie, die am 8. August 2026 in der Fachzeitschrift Nature Communications erschien, beschreiben die Wissenschaftler die erste Echtzeit-Beobachtung, wie Kohlendioxid aus der Umgebungsluft mithilfe von Salzschmelze-Elektrolyse direkt in feste Kohlenstoffstrukturen umgewandelt wird. Die Arbeit könnte den Weg zu einer kostengünstigen Herstellung von Batteriematerialien mit negativer Kohlenstoffbilanz ebnen.
Geleitet wurde das Team von dem Chemophysiker Sander Ratso von der University of California. Ratso ist zugleich am National Institute of Chemical Physics and Biophysics in Tallinn, Estland, tätig. Die Methode beruht auf der Salzschmelze-Elektrolyse: Dabei werden Salze auf extreme Temperaturen erhitzt, und eine angelegte elektrische Spannung bewirkt, dass CO₂ aus der Luft gebunden und in nutzbares Graphit umgewandelt wird. Die Experimente liefen bei konstanter Temperatur von 500 Grad Celsius.
Um die Vorgänge auf molekularer Ebene zu verfolgen, nutzten die Forscher die Operando-Raman-Spektroskopie. Diese Technik macht sich zunutze, dass Materialien unter Laserbestrahlung charakteristische Streulichtmuster erzeugen. Damit konnten sie die Bildung von Peroxid-Ionen und die Abscheidung von Kohlenstoff direkt beobachten. Ratso verglich das chemische Verfahren mit einem geschlossenen Ofen, in den sein Team nun ein Fenster eingebaut habe, wie er ScienceAlert erläuterte.
Die Reaktion verläuft demnach in zwei Schritten: Zuerst scheidet sich Kohlenstoff ab, wobei das Peroxid-Ion als notwendiges Zwischenprodukt auftritt. Dass Peroxid die treibende Kraft für die Umwandlung von CO₂ in festen Kohlenstoff ist, war bereits 1999 theoretisch vermutet worden – nun ist es experimentell belegt.
Ein bemerkenswertes Ergebnis der Studie betrifft den Einfluss des Kathodenmaterials auf die Struktur des entstehenden Kohlenstoffs. Bei einer Kathode aus reinem Nickel bilden sich Kohlenstoffnanoröhren und plättchenförmige Strukturen. Eine Gold-Kathode liefert dagegen nur unstrukturierte, amorphe Kohlenstoffklumpen. Mit einer Kathode aus Inconel 600, einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, entstehen fast ausschließlich Plättchen. Tungsten erzeugt amorphen Kohlenstoff und Kohlenstoff-Nano-Zwiebeln.
Der Geowissenschaftler Mike Whittaker vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien sieht in den Ergebnissen einen großen Gewinn für die Synthese kritischer Batteriematerialien. Wenn es gelänge, den Elektrolyseprozess bei niedrigeren Temperaturen und mit günstigeren Salzen zu betreiben, könnte genug Graphit erzeugt werden, um die globalen Batterie-Lieferketten deutlich zu entlasten. Einige spezialisierte Unternehmen nutzen diese Technologie bereits industriell und produzieren Kohlenstoffprodukte von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Tonnen.
Bislang war die Optimierung der Materialeigenschaften weitgehend Versuch und Irrtum, da die Synthesebedingungen nahezu blind eingestellt wurden. Die neue Beobachtungsmethode könnte das ändern. Allerdings ist die Salzschmelze-Elektrolyse extrem energieintensiv, da die Salze dauerhaft auf hoher Temperatur gehalten werden müssen. Ratso betont: „Eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien, um die CO₂-Belastung spürbar zu senken“ – allerdings nur, wenn der Prozess vollständig mit erneuerbarer Energie gekoppelt werde, könnten kritische Materialien mit negativer CO₂-Bilanz hergestellt werden.
Fachleute sind sich einig, dass Technologien zur CO₂-Abscheidung und -Speicherung allein die globalen Klimaprobleme nicht lösen werden. Direct Air Capture, eine Form der CO₂-Entfernung, die Kohlendioxid direkt aus der Umgebungsluft aufnimmt, könnte aber ein Baustein sein. Das abgetrennte CO₂ kann entweder unterirdisch gespeichert oder in Produkte umgewandelt werden. Das US-Energieministerium (DOE) verfolgt mit seiner Carbon Negative Shot Initiative das Ziel, CO₂ im Maßstab von einer Milliarde Tonnen zu erfassen – zu Kosten von weniger als 100 Dollar pro Netto-Metriktonne CO₂-Äquivalent. Das DOE unterstützt die DAC-Forschung über verschiedene Programme, darunter die Offices of Fossil Energy and Carbon Management, Clean Energy Demonstrations, ARPA-E sowie das Office of Science mit seinen BES- und BER-Programmen. Zudem beteiligt sich das DOE am U.S. Carbon Cycle Science Program, einer gemeinsamen Anstrengung mehrerer Behörden.