Ein Lichtteilchen für zwei Prozesse: Neue Strategie gegen CO₂
Forschende nutzen Sonnenlicht doppelt: Ein photoelektrochemischer Reaktor erzeugt aus CO₂ und Biomasse zwei wertvolle Chemikalien.
CO₂-Verwertung und nachhaltige Chemie in einem Prozess: Neuer Solarreaktor produziert zwei Rohstoffe gleichzeitig.
Foto: University of Nottingham
Das Wichtigste in Kürze
- Forschende der University of Nottingham entwickelten einen photoelektrochemischen Solarreaktor.
- Eine Lichtanregung treibt zwei chemische Reaktionen gleichzeitig an.
- CO₂ wird zu Formiat reduziert.
- Ein Biomasse-Ausgangsstoff wird zu einem Vorprodukt für biobasierte Kunststoffe oxidiert.
- Der Reaktor arbeitet ohne extern angelegte Spannung.
- Die Katalysatoren bestehen überwiegend aus häufig verfügbaren Elementen.
- Langfristig könnte die Technologie in CO₂-Nutzungsanlagen und Bioraffinerien eingesetzt werden.
Die chemische Industrie sucht nach Wegen, Kohlendioxid als Rohstoff zu nutzen und gleichzeitig nachhaltiger zu produzieren. Forschende der University of Nottingham haben nun einen Ansatz vorgestellt, der beide Ziele miteinander verbindet. Ihr neu entwickelter photoelektrochemischer Reaktor wandelt CO₂ in eine nutzbare Chemikalie um und verarbeitet gleichzeitig einen aus Biomasse gewonnenen Ausgangsstoff zu einem Vorprodukt für nachhaltige Kunststoffe.
Der Clou dabei: Beide Reaktionen werden durch dieselbe Lichtanregung ausgelöst. Die Forschenden nutzen also die Energie des Sonnenlichts doppelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Communications Materials veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Ein Sonnenreaktor mit zwei Arbeitsbereichen
Im Zentrum der Entwicklung steht ein sogenannter photoelektrochemischer Reaktor. Er besteht aus zwei miteinander verbundenen Kammern, die jeweils unterschiedliche Katalysatoren enthalten.
Trifft Sonnenlicht auf die Photoanode in der ersten Kammer, entsteht dort ein Elektron-Loch-Paar. Das freigesetzte Elektron wandert zur zweiten Kammer und reduziert dort Kohlendioxid zu Formiat. Gleichzeitig treibt die verbleibende positive Ladung – das sogenannte Loch – in der ersten Kammer eine Oxidationsreaktion eines Biomasse-Ausgangsstoffs an. So laufen zwei chemische Prozesse parallel ab. Beide nutzen dieselbe Lichtanregung.
Das erzeugte Formiat ist ein wichtiger chemischer Grundstoff. Es findet unter anderem Verwendung bei der Herstellung von Chemikalien, Pharmawirkstoffen, Textilien und Beschichtungen. Das zweite Reaktionsprodukt kann als Baustein für biobasierte Kunststoffe dienen.
Wie die neue Photoanode arbeitet
Die Forschenden entwickelten für den Reaktor eine spezielle Photoanode aus Kohlenstoffnitrid und Wolframoxid. Eine zusätzliche Kobaltoxidschicht verbessert die katalytischen Eigenschaften.
Dr. Madasamy Thangamuthu von der School of Chemistry der University of Nottingham beschreibt den Mechanismus so: „Der Prozess wird ausgelöst, wenn ein Photon des Sonnenlichts auf die Photoanode trifft und ein Elektron erzeugt, das zur Kathode wandert, um CO₂ zu reduzieren, während das verbleibende Loch auf der Photoanode gleichzeitig das 5-Hydroxymethyl-2-furoinsäure (HMFA)-Molekül oxidiert.“
Vereinfacht gesagt übernimmt das Elektron die CO₂-Umwandlung, während die positive Ladung die zweite Reaktion antreibt. Dadurch wird ein größerer Teil der eingestrahlten Lichtenergie genutzt als bei vielen vergleichbaren Systemen.
Hohe Selektivität bei beiden Reaktionen
Nach Angaben des Forschungsteams verliefen beide Reaktionen mit hoher Selektivität. Die sogenannte Faraday-Effizienz – ein Maß dafür, wie effektiv die übertragenen Ladungen tatsächlich in die gewünschte chemische Reaktion fließen – lag bei etwa 93 % für die Bildung von Formiat und bei rund 95 % für die Oxidation des Biomasse-Ausgangsstoffs.
Diese Werte zeigen, dass nur ein kleiner Teil der Ladungen für unerwünschte Nebenreaktionen verloren geht. Ein weiterer Vorteil: Der Reaktor arbeitet ohne extern angelegte elektrische Spannung. Die benötigte Energie stammt allein aus dem eingestrahlten Sonnenlicht.
Keine seltenen Rohstoffe notwendig
Viele moderne Katalysatoren setzen auf seltene oder teure Metalle. Die Nottingham-Gruppe verfolgt einen anderen Ansatz. Die verwendeten Materialien basieren überwiegend auf vergleichsweise häufig verfügbaren Elementen. Das könnte die spätere industrielle Nutzung erleichtern.
Dr. Vincenzo Taresco, Experte für polymere Materialien, sieht darin einen wichtigen Aspekt: „Die nachhaltige Polymerproduktion ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Während die Materialchemie rasante Fortschritte macht, sind neue Strategien erforderlich, um diese Reaktionen effizient voranzutreiben.“
Weiter erklärt er: „In dieser Arbeit ermöglicht die Nutzung von Sonnenlicht einen sauberen Prozess und stellt sicher, dass eine nachhaltige Energiequelle nachhaltige Chemie antreibt.“ Zusätzlich führten die Forschenden eine Lebenszyklusanalyse durch. Sie deutet darauf hin, dass das Verfahren gegenüber konventionellen Produktionswegen ökologische Vorteile bieten könnte.
Perspektiven für die Industrie
Noch handelt es sich um einen Laboraufbau. Die Forschenden sehen jedoch Potenzial für größere Anwendungen.
Denkbar wäre beispielsweise der Einsatz in:
- Anlagen zur CO₂-Abscheidung und -Nutzung
- Bioraffinerien
- Chemieparks mit erneuerbarer Energieversorgung
- dezentralen Produktionsanlagen für chemische Grundstoffe
Eine wichtige Rolle spielt dabei die Herstellung der Katalysatoren. Das Team nutzt Verfahren, bei denen Metallatome gezielt auf Oberflächen angeordnet werden. Dadurch lassen sich Größe, Form und Zusammensetzung der katalytisch aktiven Partikel präzise steuern.
Dr. Jesum Alves Fernandes erklärt: „Unser einzigartiger Ansatz zur oberflächennahen Anordnung von Metallatomen zu Katalysatorpartikeln – die in Größe, Form und Zusammensetzung speziell angepasst sind – wird unerlässlich sein, um diese Arbeit auf andere chemische Prozesse auszuweiten und die CO₂-Verwertung weiter zu verbessern.“
Sonnenlicht direkt für Chemie nutzen
Bislang wird Solarenergie meist zunächst in Strom umgewandelt. Der neue Ansatz verfolgt einen anderen Weg. Hier dient das Sonnenlicht direkt als Antrieb für chemische Reaktionen.
Professor Andrei Khlobystov sieht darin eine interessante Perspektive: „Derzeit nutzt die Menschheit nur einen winzigen Bruchteil der Sonnenenergie, der größtenteils in Strom umgewandelt wird. Diese Entdeckung eröffnet jedoch neue Möglichkeiten, Sonnenlicht direkt einzufangen, um zwei globale Herausforderungen gleichzeitig anzugehen.“
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