Schwarzes Gold schluckt CO2

Gold kann CO2 in den Treibstoff Methan umwandeln – nur mithilfe von Wasser und Sonnenlicht, wie nun ein Experiment belegt. Möglich wird dies, weil Gold-Nanopartikel bestimmter Größe sämtliche sichtbare und nahinfrarote Strahlung der Sonne absorbieren. Das wiederum erzeugt lokale Hitzezonen und elektrische Felder an der Goldoberfläche, die das Material zu einem effektiven Katalysator und Heizelement machen. Auch eine Entsalzung von Meerwasser durch Verdampfen ist dadurch mit Gold möglich, wie Forscher berichten.

Gold ist nicht nur ein begehrtes Edelmetall, es ist auch chemisch-physikalisch gesehen ein besonderes Element. Seine atomaren Eigenschaften geben ihm Glanz und Beständigkeit, machen es aber auch zu einem wertvollen Helfer in Chemie, Medizin und Physik.

Wenn die Nanogold-Kolloidosomen mit Licht bestrahlt werden, bilden sie plasmonische Hotspots und energiereiche Elektronen. © Royal Society of Chemistry/ Chemical Science

Poröse Kugeln mit Nanogold-Auflage

Dies gilt vor allem für Goldpartikel im Nanomaßstab: Wenn man Gold zu Kügelchen in Nanogröße zerkleinert und diese in bestimmtem Abstand positioniert, werden sie zu extrem effektiven Strahlungsabsorbern: Sie schlucken sowohl das sichtbare Sonnenlicht als auch seinen nahinfraroten Anteil. Als Folge erscheint das sonst glänzende Gold plötzlich tiefschwarz.

Dass sich dieses Nanogold auch für die Produktion umweltfreundlicher Treibstoffe und anderer nützlicher Chemikalien eignet, haben nun Mahak Dhiman vom Tata Institut für Grundlagenforschung in Mumbai und sein Team nachgewiesen. Sie entwickelten eine Methode, um Gold-Nanopartikel auf poröse Mikrokugeln aus einem verzweigtem Silikatsubstrat aufzubringen. Diese Kolloidosomen lassen sich mit verschiedenen Abständen und Größen von Gold-Nanopartikel herstellen.

Enorme Heizwirkung

Der Clou dabei: Durch gezieltes Ausprobieren identifizierten die Forscher eine Variante dieser Nanogold-Kolloidosomen, die das Sonnenlicht optimal absorbiert. Wurden diese tiefschwarzen Mikrokügelchen in Wasser gelöst, heizten sie das Wasser bei Bestrahlung mit Sonnenlicht schon nach einer Stunde bis auf 88 Grad auf, wie Dhiman und sein Team berichten. Zum Vergleich: Eine Lösung von gleichgroßen und gleichvielen Silikatkügelchen im Wasser erwärmte dieses nur auf rund 38 Grad.

„Wir haben das Material sogar als Nanoheizung genutzt, um Meerwasser durch Verdampfen in Trinkwasser umzuwandeln – mit ausgezeichneter Effizienz“, berichten die Forscher. „Die Nanogold-Kolloidosomen erzeugten Wasserdampf aus Wasser mit einer Effizienz von 78 Prozent.“

Nähere Analysen enthüllten, dass diese Heizwirkung der Nanogold-Kolloidosomen auf einen physikalischen Resonanzeffekt zurückgeht: Auf ihrer Oberfläche bilden sich lokale Zonen, in denen sich sowohl Wärme als auch elektromagnetische Felder konzentrieren. Im Falle der Goldkügelchen ist diese sogenannte plasmonische Resonanz stark genug, um auch das gesamte Umfeld deutlich aufzuheizen.

Methan aus CO2 – nur mit Licht

Noch interessanter aber könnte eine weitere Fähigkeit der Nanogold-Kolloidosomen sein: Sie wirken in chemischen Reaktionen als effektive Photokatalysatoren, wie weitere Experimente von Dhiman und seinem Team ergaben. Dank der plasmonischen Resonanz liefern die Goldkügelchen beispielsweise die Energie, um allein mithilfe von Sonnenlicht Alkohole zu oxidieren und andere Reaktionen organischer Moleküle anzustoßen.

Das Spannende jedoch: Mithilfe der Goldkügelchen kann auch Kohlendioxid in den energiereichen Brennstoff Methan umgewandelt werden. Im Test lösten die Forscher dafür die Nanogold-Kolloidosomen in Wasser mit Isopropanol und leiteten CO2 hindurch. Dann bestrahlten sie das Ganze mit einer Sonnenlichtlampe. Das Ergebnis: Es bildete sich zwischen 1,5 und 2 Mikromol Methangas pro Gramm Kügelchen, wie Dhiman und sein Team berichten.

Treibstofferzeugung der Zukunft?

„In diesem Stadium ist die Produktionsrate von Methan noch gering“, räumen die Forscher ein. „Aber schon in den kommenden Jahren könnten wir die Methode optimieren und dann CO2 auch in kommerziellem Maßstab zu Treibstoff umwandeln – unter atmosphärischen Bedingungen und mithilfe des Sonnenlichts.“ Damit könnten die Nanogold-Kolloidosomen zu einem der Verfahren werden, die mittels „Sun-to-Liquid“-Technologie energiereiche Treibstoffe aus dem atmosphärischen CO2 erzeugen.

Ob Nanogold allerdings tatsächlich eines Tages dabei helfen kann, in größerem Maßstab CO2 zu verarbeiten und Treibstoff umweltfreundlicher zu erzeugen, muss sich erst noch zeigen. (Chemical Science, 2019; doi: 10.1039/C9SC02369K)

Quelle: Tata Institute of Fundamental Research