Photosynthese im Labor
Ein klimaneutrales Gerät setzt neue Maßstäbe auf dem Gebiet der Solarkraftstoffe, nachdem Forscher an der Universität Cambridge1 gezeigt haben, dass es auf nachhaltige und einfache Weise direkt das Gas, das sogenannte Synthesegas, erzeugen kann.
Das künstliche Blatt wird nicht mit fossilen Brennstoffen betrieben, sondern durch Sonnenlicht angetrieben und funktioniert an bewölkten und bewölkten Tagen immer noch effizient. Und im Gegensatz zu den derzeitigen industriellen Prozessen zur Herstellung von Synthesegas gibt das Blatt kein zusätzliches Kohlendioxid an die Atmosphäre ab. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Synthesegas wird derzeit aus einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid hergestellt und wird zur Herstellung einer Reihe von Rohstoffen wie Brennstoffen, Pharmazeutika, Kunststoffen und Düngemitteln verwendet.
„Sie haben vielleicht noch nie von Synthesegas selbst gehört, aber Sie konsumieren jeden Tag Produkte, die mit diesem Produkt hergestellt wurden. Eine nachhaltige Produktion wäre ein entscheidender Schritt, um den globalen Kohlenstoffkreislauf zu schließen und eine nachhaltige Chemie- und Kraftstoffindustrie aufzubauen “,
sagte der leitende Autor Professor Erwin Reisner vom Cambridge Department of Chemistry, der seit sieben Jahren an diesem Ziel arbeitet.
Das von Reisner und seinen Kollegen hergestellte Gerät ist von der Photosynthese inspiriert – dem natürlichen Prozess, bei dem Pflanzen die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Kohlendioxid in Lebensmittel umzuwandeln.
Auf dem Kunstblatt werden zwei Lichtabsorber, ähnlich den Molekülen in Pflanzen, die Sonnenlicht ernten, mit einem Katalysator aus dem natürlich reichlich vorhandenen Element Kobalt kombiniert.
Wenn das Gerät in Wasser eingetaucht ist, erzeugt ein Lichtabsorber mit dem Katalysator Sauerstoff. Die andere führt die chemische Reaktion durch, die Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reduziert und das Synthesegasgemisch bildet.
Als zusätzlichen Vorteil stellten die Forscher fest, dass ihre Lichtabsorber an einem regnerischen oder bewölkten Tag auch bei geringer Sonneneinstrahlung funktionieren.
„Das bedeutet, dass Sie diese Technologie nicht nur in warmen Ländern einsetzen oder den Prozess nur in den Sommermonaten betreiben müssen“, sagte Doktorandin Virgil Andrei, Erstautorin des Papers. „Man könnte es von morgens bis abends überall auf der Welt benutzen.“
Die Forschung wurde im Christian-Doppler-Labor für Nachhaltige SynGas-Chemie im Fachbereich Chemie der Universität durchgeführt. Es wurde von der österreichischen Regierung und dem österreichischen Petrochemieunternehmen OMV mitfinanziert, das nach Wegen sucht, sein Geschäft nachhaltiger zu gestalten.
„OMV ist seit sieben Jahren ein begeisterter Unterstützer des Christian Doppler Labors. Die Grundlagenforschung des Teams zur CO2-neutralen Herstellung von Synthesegas als Basis für Flüssigbrennstoff ist wegweisend “, sagte Michael-Dieter Ulbrich, Senior Advisor bei OMV.
Es wurden auch andere „Kunstblatt“-Vorrichtungen entwickelt, die jedoch normalerweise nur Wasserstoff produzieren2. Die Cambridge-Forscher sagen, dass der Grund, warum sie ihr Synthesegas nachhaltig produzieren konnten, in der Kombination der verwendeten Materialien und Katalysatoren liegt.
Dazu gehören die modernen Perowskit-Lichtabsorber, die im Vergleich zu Lichtabsorbern aus Silizium oder farbstoffsensibilisierten Materialien eine hohe Photospannung und einen hohen elektrischen Strom liefern, um die chemische Reaktion anzutreiben, durch die Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird. Die Forscher verwendeten Kobalt anstelle von Platin oder Silber als molekularen Katalysator. Kobalt ist nicht nur kostengünstiger, sondern produziert auch besser Kohlenmonoxid als andere Katalysatoren.
Das Team sucht nun nach Möglichkeiten, mit ihrer Technologie eine nachhaltige Alternative für Flüssigbrennstoffe zu Benzin herzustellen.
Bei der Herstellung flüssiger Brennstoffe wird Synthesegas bereits als Baustein verwendet.
„Als nächstes möchten wir, anstatt zuerst Synthesegas herzustellen und es dann in flüssigen Brennstoff umzuwandeln, den flüssigen Brennstoff in einem Schritt aus Kohlendioxid und Wasser herstellen“,
sagte Reisner, der auch ein Fellow von St. John’s Hochschule ist.
Obwohl bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik große Fortschritte erzielt werden, ist laut Reisner die Entwicklung von synthetischem Benzin von entscheidender Bedeutung, da Strom derzeit nur etwa 25% unseres gesamten globalen Energiebedarfs decken kann.
„Es gibt eine große Nachfrage nach flüssigen Brennstoffen, um Schwertransporte, Schifffahrt und Luftfahrt nachhaltig zu betreiben“, sagte er. „Wir wollen nachhaltig Produkte wie Ethanol herstellen, die problemlos als Kraftstoff verwendet werden können“, sagte Andrei. „Es ist eine Herausforderung, es mithilfe der Kohlendioxid-Reduktionsreaktion in einem Schritt aus Sonnenlicht herzustellen. Wir sind jedoch zuversichtlich, dass wir in die richtige Richtung gehen und über die richtigen Katalysatoren verfügen, und glauben, dass wir in naher Zukunft ein Gerät herstellen können, das diesen Prozess demonstriert. “
Die Forschung wurde auch vom Winton-Programm für Physik der Nachhaltigkeit, dem Forschungsrat für Biotechnologie und Biowissenschaften und dem Forschungsrat für Ingenieurwissenschaften und Physik finanziert.
Referenz:
Virgil Andrei, Bertrand Reuillard und Erwin Reisner. „Bias-freie solare Synthesegasproduktion durch Integration eines molekularen Kobaltkatalysators in Perowskit-BiVO4- Tandems“ Naturmaterialien (2019). DOI: 10.1038 / s41563-019-0501-6
veröffentlicht unter
Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Die Universität von Cambridge baut auf ihren bestehenden Forschungsergebnissen auf und startet eine neue Initiative für Umwelt und Klimawandel. In Cambridge Zero geht es nicht nur um die Entwicklung umweltfreundlicherer Technologien. Es nutzt die Kraft der Forschungs- und Politikkompetenz der Universität und entwickelt Lösungen, die in unserem Leben, unserer Gesellschaft und unserer Biosphäre funktionieren. ↩
siehe https://www.oekologische-plattform.de/2019/11/meilenstein-solarer-wasserspaltung ↩