Ameisensäure

Katalysator erzeugt Kraftstoff aus CO2, Wasser und Licht

Robert Klatt

Eine neue Folio nutzt einen zweischrittigen Katalyseprozess, der wie die Photosynthese von Pflanzen aus CO2, Wasser und Licht organische Verbindungen und Sauerstoff erzeugt.

Cambridge (England). Die Wissenschaft versucht bereits seit Langem, die natürliche Photosynthese von Pflanzen, bei aus Licht, CO2 und Wasser organische Verbindungen entstehen, in künstlichen Systemen nachzubilden. Ein erfolgreicher Ansatz dafür ist zum Beispiel die SUN-to-LIQUID Demonstrationsanlage, die mithilfe von Solarenergie aus Wasser und CO2 Kerosin erzeugt.

Ein Team um Qian Wang von der University of Cambridge hat nun einen weiteren Schritt zur künstlichen Photosynthese beschritten. Laut der im Fachmagazin Nature Energy publizierten Studie gelang es den Wissenschaftler eine Folie zu erzeugen, die wie eine Pflanze in einem zweischrittigen Katalyseprozess aus CO2, Wasser und Licht die organische Verbindung Ameisensäure und Sauerstoff erzeugt.

Treibstoffproduktion ohne Abfallprodukte

Laut Wang „war es bisher schwer, künstliche Photosynthese mit hoher Selektivität zu erzielen, sodass man so viel Sonnenlicht wie möglich in den gewünschten Kraftstoff umwandelt, ohne dabei viele Abfallstoffe zu erzeugen.“ Die Wissenschaftler hatten deshalb das Ziel, einen Prozess zu entwickeln, der ohne viel Abfallprodukte einen gut transportierbaren Treibstoff erzeugt. Eine Vorrausetzung dafür sind Katalysatoren, die die photochemischen Reaktionen beschleunigen, ohne dabei selbst zu reagieren und somit verbracht zu werden.

Goldfolie mit Halbleiterkomplexen

Das kürzlich vorgestellte System nutzt dazu eine Goldfolie, die von zwei Halbleiterkomplexen umgeben ist. Einer der Halbleiterkomplexe besteht aus mit Lanthan und Rhodium dotierten Strontiumtitanoxid, ein Halbleiterkomplexe aus mit Molybdän dotierten Bismutvanadiumoxid.

Im ersten Molekülkomplex kann das System dadurch bei Belichtung Elektronen aus Wasser aufnehmen, die zu Sauerstoff und Protonen oxidiert werden. Anschließend gelangen die im Wasser freigesetzten Elektronen durch die Goldfolie in den Molekülkomplex, wo sie mithilfe eines kobaltbasierten Katalysator gemeinsam mit CO2 in Ameisensäure umgewandelt werden.

Wasserstoff oder organische Kraftstoffe als Endprodukt

Laut Wang „ist dieses drahtlose und autarke System, das die Ameisensäure-Produktion mit der Wasseroxidation koppelt und nur Licht als Energiequelle benötigt, im Feld der CO2-Konversion eine Rarität.“ Die erzeugte Ameisensäure kann anschließend transportiert und gelagert werden, um sie später zu organischen Kraftstoffen oder Wasserstoff weiterzuverarbeiten.

Selektivität von 97 Prozent

Im gesamten Prozess erzeugt die neue Photokatalyse-Folie nahezu keine Abfallprodukte. Laut Wang „waren die Forscher überrascht, wie gut dies in Bezug auf seine Selektivität funktioniert.“ In Experimenten lag die Selektivität für die Ameisensäure-Bildung bei 97 Prozent. Der Wirkungsgrad ist hingegen mit einer Licht-zu-Ameisensäure-Konversion von nur 0,08 Prozent noch sehr gering.

In Zukunft wollen die Entwickler deshalb daran arbeiten, die Effizienz des Systems zu steigern. Bisher ist eine kommerzielle Anwendung nämlich noch nicht rentabel. Optimierungsmöglichkeiten sind unter anderem bessere Katalysatoren, die die kobaltbasierten Katalysators des aktuellen Photosheets ersetzen.

Sollten dies gelingen, hat die katalytische Photofolie laut Wang den Vorteil, dass sie sich leicht skalieren lässt. Die Produktion von Folien mit mehreren Quadratmetern Größe ist mit bereits gängiger Technik möglich. Laut Co-Autor Erwin Reisner „hoffen die Wissenschaftler, dass diese Technologie den Weg hin zu einer nachhaltigen und praktikablen Produktion von solarbasierten Treibstoffen ebnen kann.“

Nature Energy, doi: 10.1038/s41560-020-0678-6

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