Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Wiederverwendung von CO2 für die Herstellung nachhaltiger Kraftstoffe ist die Verkettung von Kohlenstoffatomen. Ein an der Universität Michigan entwickeltes künstliches Photosynthesesystem kann zwei von ihnen zu Kohlenwasserstoffen mit einer in der Branche führenden Leistung verbinden.
Das System produziert Ethylen mit einer Effizienz, Ausbeute und Langlebigkeit, die weit über der anderer künstlicher Photosynthesesysteme liegt. Ethylen ist ein Kohlenwasserstoff, der in der Regel in Kunststoffen verwendet wird. Eine direkte Anwendung des Systems wäre daher die Gewinnung von Kohlendioxid, das sonst für die Herstellung von Kunststoffen in die Atmosphäre entlassen würde. „Die Leistung, das heißt die Aktivität und Stabilität, ist etwa fünf- bis sechsmal besser als das, was üblicherweise für Solarenergie oder die lichtgetriebene Reduktion von Kohlendioxid zu Ethylen berichtet wird“, so Zetian Mi, Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Michigan und korrespondierender Autor der Studie in Nature Synthesis.
„Ethylen ist die meistproduzierte organische Verbindung der Welt. Aber es wird in der Regel mit Öl und Gas hergestellt, unter hohen Temperaturen und hohem Druck, wobei CO2 freigesetzt wird.“ Das langfristige Ziel besteht darin, längere Ketten von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aneinander zu reihen, um flüssige Kraftstoffe zu erzeugen, die leicht transportiert werden können. Ein Teil der Herausforderung besteht darin, den gesamten Sauerstoff aus dem CO2 als Kohlenstoffquelle und dem Wasser, H2O, als Wasserstoffquelle zu entfernen.
Ablauf der Photosynthese
Das Gerät absorbiert Licht durch zwei Arten von Halbleitern: einen Wald von Galliumnitrid-Nanodrähten, die jeweils nur 50 nm (ein paar hundert Atome) breit sind, und die Siliziumbasis, auf der sie gewachsen sind. Die Reaktion, bei der Wasser und Kohlendioxid in Ethylen umgewandelt werden, findet an Kupferclustern mit jeweils etwa 30 Atomen statt, die auf den Nanodrähten verteilt sind. Die Nanodrähte werden in mit Kohlendioxid angereichertes Wasser getaucht und einem Licht ausgesetzt, das dem der Mittagssonne entspricht. Die Energie des Lichts setzt Elektronen frei, die das Wasser nahe der Oberfläche der Galliumnitrid-Nanodrähte spalten. Dabei entsteht Wasserstoff, der in die Ethylenreaktion einfließt, aber auch Sauerstoff, den das Galliumnitrid absorbiert und zu Galliumnitridoxid wird.
Das Kupfer ist gut darin, sich an den Wasserstoff zu heften und den Kohlenstoff des Kohlendioxids festzuhalten, um es in Kohlenmonoxid zu verwandeln. Mit dem Wasserstoff in der Mischung und einer Energiezufuhr durch das Licht, glaubt das Team, dass sich zwei Kohlenmonoxidmoleküle mit dem Wasserstoff verbinden. Die Reaktion wird vermutlich an der Grenzfläche zwischen dem Kupfer und dem Galliumnitridoxid abgeschlossen, wo die beiden Sauerstoffatome abgezogen und durch drei Wasserstoffatome aus der Wasserspaltung ersetzt werden.
Das Team fand heraus, dass 61 Prozent der freien Elektronen, die die Halbleiter mit dem Licht erzeugten, zur Reaktion zur Herstellung von Ethylen beitrugen. Ein anderer Katalysator auf der Basis von Silber und Kupfer erreichte zwar einen ähnlichen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent, musste aber in einer Flüssigkeit auf Kohlenstoffbasis betrieben werden und konnte nur wenige Stunden lang funktionieren, bevor er sich zersetzte. Im Gegensatz dazu lief das Gerät des Teams aus Michigan 116 Stunden lang, ohne nachzulassen, und das Team hat ähnliche Geräte 3.000 Stunden lang betrieben.
Dies ist zum Teil auf die synergetische Beziehung zwischen dem Galliumnitrid und dem Wasserspaltungsprozess zurückzuführen: Die Zugabe von Sauerstoff verbessert den Katalysator und ermöglicht einen Selbstheilungsprozess. Die Grenzen der Langlebigkeit des Geräts werden in zukünftigen Arbeiten erforscht werden. Schließlich produzierte das Gerät Ethylen mit einer Rate, die mehr als viermal höher war als die der nächsten konkurrierenden Systeme.
Zukunftsausblick
„In Zukunft wollen wir auch andere kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Propanol mit drei Kohlenstoffen oder flüssige Produkte herstellen“, so Bingxing Zhang, U-M Assistant Research Scientist in Electrical and Computer Engineering und Erstautor der Studie. Flüssige Kraftstoffe, die es vielen bestehenden Verkehrstechnologien ermöglichen könnten, nachhaltig zu werden, sind das Endziel der Forscherinnern und Forscher.
