Neue nanoskalige Rhodium-Katalysatoren setzen das Treibhausgas CO2 nahezu ohne unerwünschte Nebenprodukte zu dem Energieträger Methan um – und benötigen dazu nur eine UV-Lampe. Möglich wird dies, weil die verwendeten Partikel so klein sind, dass sie ihre optischen Eigenschaften verändern und so Energie aus dem eingestrahltem UV-Licht verwerten können.
Kohlendioxid, ist ein vieldiskutiertes Treibhausgas, welches mitverantwortlich für den Klimawandel gemacht wird. Um CO2-Emissionen zu vermeiden, setzt man in der Industrie Katalysatoren ein, welche die Umwandlung des berüchtigten Gases in andere Produkte erleichtern. Ein Beispiel dafür ist die Umsetzung von CO2 mit Wasserstoff zu Wasser und Methan. Letzteres ist zwar wiederum ein Treibhausgas, kann aber als Energieträger im Erdgas oder als Grundbaustein für Produkte der chemischen Industrie genutzt werden.
Licht ersetzt Hitze als „Antrieb“
Bisher waren, trotz Einsatz der reaktionsbeschleunigenden Katalysatoren, hohe Temperaturen erforderlich, um CO2 zu Methan umzusetzen. Forscher der Duke University konnten die Reaktion nun auch bei Raumtemperatur durchführen – angetrieben allein durch Lichtenergie. Sie stellten Nano-Partikel aus dem seltenen Metall Rhodium her und verglichen ihre Leistung in der CO2-Umwandlung sowohl bei 300 °C, als auch bei Raumtemperatur, aber unter Einstrahlung einer Hochleistungs-UV-LED.
Das erstaunliche Ergebnis: Trotz fehlender Hitze reagierte das CO2 bei UV-Licht, und das sogar mit einer höheren Selektivität als die aufgeheizte Vergleichsprobe. Während bei 300 °C neben dem gewünschten Produkt Methan ebenfalls das unerwünschte, giftige Gas Kohlenmonoxid (CO) entstand, wurde bei der Bestrahlung der Rhodium-Nanopartikel mit UV-Licht fast zu 100 Prozent reines Methan erzeugt.
Im Nano-Maßstab absorbiert Rhodium anderes Licht
Der Effekt, den sich die Forscher bei den Rhodium-Partikeln zu Nutze machen, heißt Plasmonenresonanz. „Im Grunde funktionieren plasmonische Nanopartikel wie kleine Antennen, die sichtbares oder ultraviolettes Licht sehr effizient absorbieren und zum Beispiel starke elektrische Felder erzeugen können,“ beschreibt Henry Everitt von der Duke University das Phänomen.
Erst durch diese besondere Eigenschaft kann die für die Reaktion benötigte Energie aus dem eingestrahlten Licht statt aus einer herkömmlichen Wärmequelle genutzt und eine Selektivität von nahezu 100 Prozent Methan erreicht werden. „Die Tatsache, dass sich Licht nutzen lässt, um einen bestimmten Reaktionspfad zu beeinflussen, ist unheimlich spannend,“ sagt Seniorautor Jie Liu von der Duke University.
Zukunftsziel: Katalysatoren mit Sonnenlicht antreiben
Die Möglichkeit, CO2 ohne hohe Temperaturen und mit hoher Selektivität in Methan umzuwandeln, verspricht schon jetzt ein enormes Sparpotential bezüglich Zeit und Energie, die sonst zur Aufreinigung des Methan-Kohlenstoffmonoxid-Gemisches anfallen würden. Indem sie die Größe der Rhodium-Partikel noch weiter verringern, hoffen die Wissenschaftler, die CO2-Umsetzung in Zukunft sogar mit natürlichem Sonnenlicht realisieren zu können. „Wir haben gerade erst begonnen, diesen aufregenden neuen Ansatz der Katalyse zu erforschen,“ so Liu. (Nature Communications, 2017; doi: 10.1038/NCOMMS14542)
(Duke University, 02.03.2017 – CLU)
