Nach dem Vorbild der Natur: Forscher haben ein System entwickelt, das Kohlendioxid und Wasser mithilfe des Sonnenlichts in Ameisensäure umwandelt – einen Ausgangsstoff für Kraftstoffe und Wasserstoff. Kern des Systems ist eine mit mehreren Photokatalysatoren versetzte Goldfolie, die diese künstliche Photosynthese ermöglicht. Noch sei der Wirkungsgrad zwar gering, aber das ließe sich mit besseren Katalysatoren ändern, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Energy“.
Die Photosynthese der Pflanzen macht vor, wie sich aus Licht, Wasser und CO2 energiereiche organische Verbindungen erzeugen lasen. Doch dieses komplexe Patent der Natur nachzuahmen, ist schwierig und bisher nur in Ansätzen gelungen. Beispiele sind Anlagen zur solaren Wasserspaltung, aber auch thermochemische Reaktoren, die aus Licht und Luft Synthesegas herstellen. Auch künstliche Blätter sind bereits im Test, die CO2 aus der Luft ziehen und in Syngas umwandeln.
Ameisensäure aus Sonnenlicht und CO2
Noch einen Schritt weiter gehen nun Qian Wang von der University of Cambridge und seine Kollegen. Sie haben ein System entwickelt, das den chemischen Abläufen bei der natürlichen Photosynthese noch näher kommt. Denn ihr „Photosheet“ nutzt wie die Pflanzen einen zweischrittigen Katalyseprozess, um aus Licht, Wasser und CO2 Sauerstoff und die organische Verbindung Ameisensäure (HCOO–) herzustellen.
„Bisher war es schwer, künstliche Photosynthese mit hoher Selektivität zu erzielen, sodass man so viel Sonnenlicht wie möglich in den gewünschten Kraftstoff umwandelt – ohne viele Abfallstoffe“, erklärt Wang. „Wir wollten jedoch einen flüssigen, gut transportierbaren Treibstoff ohne viele Nebenprodukte erzeugen.“ Das setzt jedoch voraus, dass das System Katalysatoren verwendet, die die gewünschten photochemischen Reaktionen fördern, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.
Zweischrittige Redox-Reaktion an einer Goldfolie
Das neue System besteht aus einer dünnen Goldfolie, in die zwei verschiedene Halbleiterkomplexe eingebettet sind – ein mit Molybdän dotiertes Bismutvanadiumoxid und ein mit Lanthan und Rhodium dotiertes Strontiumtitanoxid. Der erste Molekülkomplex nimmt bei Beleuchtung Elektronen aus dem Wasser auf und oxidiert dieses zu Sauerstoff und Protonen.
Die aus dem Wasser freigesetzten Elektronen gelangen durch die Goldfolie zum zweiten Molekülkomplex. Dieser wandelt mit ihnen und einem zusätzlichen kobaltbasierten Katalysator CO2 in Ameisensäure um. „Dieses drahtlose und autarke System koppelt damit die Ameisensäure-Produktion mit der Wasseroxidation und benötigt nur Licht als Energiequelle – das ist im Feld der CO2-Konversion eine Rarität“, so die Forscher.
Die flüssige Ameisensäure kann anschließend problemlos transportiert, gelagert und zu organischen Kraftstoffen oder aber zu Wasserstoff weiterverarbeitet werden
Hochselektiv, aber noch wenig effizient
Dabei produziert die Photokatalyse-Folie nur sehr wenige unerwünschte Abfallstoffe: „Wir waren überrascht, wie gut dies in Bezug auf seine Selektivität funktionierte – das System erzeugte fast keine Nebenprodukte“, berichtet Wang. Die Folie erzielte eine Selektivität von 97 Prozent für die Bildung der Ameisensäure, wie die Forscher berichten. Dafür allerdings ist ihr Wirkungsgrad noch sehr bescheiden: Er lag für die Licht-zu-Ameisensäure-Konversion bei nur 0,08 Prozent.
Die Effizienz dieses Systems müsse daher noch deutlich gesteigert werden, bevor eine kommerzielle Anwendung sinnvoll sei, räumen auch Wang und sein Team ein. Eine solche Optimierung ließe sich unter anderem durch bessere Katalysatoren erreichen. Die Forscher arbeiten bereits an Versionen ihres „Photosheets“, in dem statt des im Prototyp eingesetzten kobaltbasierten Katalysators andere Moleküle zum Einsatz kommen.
Leicht skalierbar
Sollte das gelingen, hätte die katalytische Photofolie einen großen Vorteil: Sie lässt sich relativ einfach hochskalieren, wie Wang und sein Team erklären. Folien von mehreren Quadratmeter Größe herzustellen sei mit gängiger Technik ohne weiteres möglich. „Wir hoffen, dass diese Technologie den Weg hin zu einer nachhaltigen und praktikablen Produktion von solarbasierten Treibstoffen ebnen kann“, sagt Wangs Kollege Erwin Reisner. (Nature Energy, 2020; doi: 10.1038/s41560-020-0678-6)
Quelle: University of Cambridge
