Synthetische Kraftstoffe 18.10.2024, 12:00 Uhr

Licht als Katalysator: Neue Wege in der CO2-Reduktion

Sichtbares Licht verbessert die CO2-Umwandlung, erhöht die chemische Selektivität und bietet neue Möglichkeiten für nachhaltige Kraftstoffproduktion.

sichtbares Licht

Forschende haben gezeigt, dass sichtbares Licht die CO2-Umwandlung und somit die Herstellung synthetischer Kraftstoffe effizienter machen kann.

Foto: PantherMedia / Furian

Die Verwendung von sichtbarem Licht zur Beschleunigung und Verbesserung des CO2-Recyclingprozesses könnte eine bedeutende Rolle in der chemischen Industrie spielen. Forschende haben gezeigt, dass Licht nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern auch die chemische Selektivität deutlich verbessert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen und anderen Chemikalien. Die Technologie steht jedoch noch vor Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die industrielle Skalierung und Energieeffizienz.

Sichtbares Licht als Katalysator

Der Prozess der CO2-Umwandlung, bekannt als elektrochemische Reduktion, basiert auf der Spaltung von CO2 und Wasser in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2). Diese Gase dienen als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kraftstoffen und anderen Chemikalien. Doch wie Prashant Jain, Chemieprofessor an der University of Illinois, erklärt: „Die Reaktion ist jedoch träge und der Prozess erfordert große Elektroden, die viel teures Katalysatormaterial wie Gold oder Kupfer enthalten.“

Um diese Herausforderung zu lösen, untersuchte Jains Team, wie sichtbares Licht in Kombination mit Elektroden aus einer Gold-Kupfer-Legierung die Effizienz des Prozesses steigern kann. Die Ergebnisse ihrer Arbeit, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen, dass Licht eine Schlüsselfunktion bei der Verbesserung der chemischen Reaktion übernimmt.

Verbesserte Selektivität durch Licht

Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen der Studie ist, dass sichtbares Licht die Selektivität der chemischen Reaktionen erhöht. Selektivität beschreibt die Fähigkeit einer Reaktion, bestimmte Moleküle gezielt zu produzieren, während andere Nebenprodukte vermieden werden. „Wir hatten nicht erwartet, dass die Verwendung von sichtbarem Licht einen so großen Einfluss auf die chemische Selektivität haben würde“, erklärt Jain. Dieser Fortschritt könnte die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen und anderen wertvollen Chemikalien erheblich verbessern.

Stellenangebote im Bereich Chemieingenieurwesen

Chemieingenieurwesen Jobs
über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.-Firmenlogo
Produktionsleiter:in über ifp | Executive Search. Management Diagnostik.
ATLAS TITAN Mitte GmbH-Firmenlogo
Projektkoordinator (m/w/d) Entsorgung hochradioaktiver Abfälle ATLAS TITAN Mitte GmbH
Emmerthal, Hameln Zum Job 
Indorama Ventures Polymers Germany GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Verfahrenstechnik (m/w/d) Chemische Produktion Indorama Ventures Polymers Germany GmbH
Gersthofen Zum Job 
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Anlagen- & Prozesssicherheit Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
Frankfurt am Main Zum Job 
Indorama Ventures Polymers Germany GmbH-Firmenlogo
Sicherheitsingenieur (m/w/d) für Anlagen- und Prozesssicherheit Indorama Ventures Polymers Germany GmbH
Gersthofen Zum Job 
Neovii Biotech GmbH-Firmenlogo
Qualification Engineer (m/w/d) Neovii Biotech GmbH
Gräfelfing Zum Job 
Fresenius Kabi-Firmenlogo
Director (m/w/d) Operations Media Supply, Formulation & API Fishoil Fresenius Kabi
Friedberg / Hessen Zum Job 

Die Forschenden setzten Elektroden ein, die mit Nanopartikeln einer Gold-Kupfer-Legierung beschichtet waren. Diese Elektroden wirkten wie „winzige Antennen“, die sichtbares Licht einfangen und den chemischen Reaktionsweg beeinflussen, wie Jain weiter erläutert.

Licht und Elektrochemie im Labor

Im Labor testeten die Forschenden ihre Theorie, indem sie die Elektroden in eine Lösung aus CO2 und Wasser eintauchten, der ein Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzt wurde. Sie legten dann eine Spannung an und bestrahlten die Elektrode mit einem Laser, der sichtbares Licht emittierte. Das Ergebnis: Die CO2-Spaltung zu Kohlenmonoxid und die Wasserspaltung zu Wasserstoff liefen deutlich schneller ab als ohne Licht.

Dieser Prozess könnte in der Zukunft nicht nur auf die CO2-Umwandlung, sondern auch auf andere katalytische Reaktionen angewendet werden, die für die chemische Industrie von großer Bedeutung sind. Jain fasst die Bedeutung der Entdeckung zusammen: „Durch die Verwendung von Licht erhöhen wir die Aktivität dieses Katalysators, aber überraschenderweise verändern wir auch die Selektivität. Dies wird neue chemische Wege für die Herstellung verschiedener Produkte eröffnen.“

Herausforderungen auf dem Weg zur Industrialisierung

Trotz des vielversprechenden Potenzials der Technologie stehen die Forschenden vor einigen Herausforderungen. Eine davon ist die langfristige Haltbarkeit der Nanopartikel-basierten Elektroden, die sich im industriellen Maßstab verschlechtern könnten. Zudem muss die Energieeffizienz des Verfahrens weiter optimiert werden, damit es sich auf breiter Basis durchsetzen kann.

Eine weitere Herausforderung ist die genaue Steuerung der Lichtzufuhr. Da Licht auch Wärme erzeugt, mussten die Forschenden sorgfältige Experimente durchführen, um den Einfluss der Temperatur von der reinen Lichteinwirkung zu trennen. Jain erklärt: „Wir haben Experimente mit und ohne Laser bei exakt derselben Temperatur durchgeführt und konnten eine Erwärmung als Ursache ausschließen.“

Das Potenzial für die chemische Industrie

Die Erkenntnisse aus dieser Forschung ebnen den Weg für nachhaltigere und effizientere Prozesse in der chemischen Industrie. Besonders interessant ist die Möglichkeit, das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, auch als Synthesegas bekannt, durch die Steuerung des Lichteinsatzes zu beeinflussen. Dies ist ein entscheidender Faktor für die industrielle Herstellung von synthetischen Kraftstoffen.

„Diese Erkenntnis ebnet den Weg für eine nachhaltigere und effizientere Energiezukunft“, betont Jain. Der Einsatz von Licht in der Chemie könnte nicht nur die CO2-Umwandlung revolutionieren, sondern auch viele andere chemische Prozesse effizienter gestalten.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.