Forscher der Chemieabteilung der UNC-Chapel Hill verwenden ein Verfahren namens Methylterminierung, bei dem eine einfache organische Verbindung aus einem Kohlenstoffatom, das an drei Wasserstoffatome gebunden ist, verwendet wird, um die Oberfläche von Silizium, einem wesentlichen Bestandteil von Solarzellen, so zu verändern, dass seine Leistung bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid mit Hilfe von Sonnenlicht verbessert wird.
Die Forschung wurde vom Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE), einem vom DOE Office of Science finanzierten Energy Innovation Hub, unterstützt und basiert auf einem Prozess namens künstliche Photosynthese, der nachahmt, wie Pflanzen das Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid in energiereiche Moleküle umzuwandeln. Kohlendioxid ist ein wichtiges Treibhausgas, das zum Klimawandel beiträgt. Durch die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, ein weniger schädliches Treibhausgas und ein Baustein für komplexere Kraftstoffe, können die Forscher nach eigenen Angaben die Auswirkungen von Kohlendioxidemissionen auf die Umwelt möglicherweise abmildern.
Modifizieres Silizium als Problemlöser
„Eine Herausforderung bei der Solarenergie besteht darin, dass sie nicht immer dann zur Verfügung steht, wenn der Bedarf am größten ist“, so Gabriella Bein, Erstautorin der Studie und Doktorandin in Chemie. „Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass erneuerbare Elektrizität, wie die von Sonnenkollektoren, nicht direkt die für die Herstellung von Chemikalien benötigten Rohstoffe liefert. Unser Ziel ist es, Sonnenenergie in Form von flüssigen Brennstoffen zu speichern, die später verwendet werden können.“
Die Forscher verwendeten einen molekularen Ruthenium-Katalysator mit einem Stück chemisch modifiziertem Silizium, einer so genannten Photoelektrode, die die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid mit Hilfe von Lichtenergie erleichtert, ohne unerwünschte Nebenprodukte wie Wasserstoffgas zu erzeugen, was den Prozess für die Umwandlung von Kohlendioxid in andere Stoffe effizienter macht.
Jillian Dempsey, Mitautorin der Arbeit und Bowman and Gordon Gray Distinguished Term Professor, sagte, dass sie bei ihren Experimenten in einer mit Kohlendioxid gefüllten Lösung festgestellt haben, dass sie Kohlenmonoxid mit einem Wirkungsgrad von 87 Prozent produzieren konnten, was bedeutet, dass das System mit den modifizierten Silizium-Photoelektroden vergleichbar oder besser ist als Systeme mit herkömmlichen Metallelektroden wie Gold oder Platin.
Außerdem benötigte die Silizium-Photoelektrode 460 Millivolt weniger elektrische Energie, um eine Reaktion auszulösen, als dies bei der Verwendung von Elektrizität der Fall wäre. Dempsey bezeichnete dies als signifikant, da das Verfahren die direkte Lichtsammlung nutzt, um die Energie zu ergänzen oder auszugleichen, die für den Antrieb der chemischen Reaktion benötigt wird, die Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umwandelt.
„Interessant ist, dass Siliziumoberflächen normalerweise Wasserstoffgas anstelle von Kohlenmonoxid erzeugen, was die Herstellung von Wasserstoff aus Kohlendioxid erschwert“, sagte Dempsey, der auch stellvertretender Direktor von CHASE ist. „Durch die Verwendung dieser speziellen methylterminierten Siliziumoberfläche konnten wir dieses Problem vermeiden. Durch die Modifizierung der Siliziumoberfläche wird der Prozess der Umwandlung von CO2 in Kohlenmonoxid effizienter und selektiver, was für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Sonnenlicht in der Zukunft sehr nützlich sein könnte.“
Hintergründe zum Projekt
Bein und Dempsey arbeiteten bei der Forschung mit Professor Alexander Miller, Eric Assaf, einem ehemaligen Doktoranden des Fachbereichs, Senior Research Scientist Renato Sampaio, Madison Stewart, einem Chemiestudenten, und Senior Research Scientist Stephen Tereniak zusammen.
CHASE setzt sich aus sieben verschiedenen Institutionen zusammen und hat seinen Hauptsitz an der UNC-Chapel Hill. Im Jahr 2020 erhielt CHASE 40 Millionen Dollar vom Energieministerium, um die Grundlagenforschung zur Herstellung von Kraftstoffen aus Sonnenlicht zu beschleunigen.
