Sonnenkraft für nachhaltige Chemie Wenn Sonnenlicht Kohlenwasserstoffe erzeugt

Die Forscher von der University of Cambridge und der University of California, Berkeley, haben eine praktische Methode entwickelt, um Kohlenwasserstoffe – Moleküle aus Kohlenstoff und Wasserstoff – allein mit Hilfe der Sonne herzustellen

Das von ihnen entwickelte Gerät kombiniert ein lichtabsorbierendes „Blatt“ aus einem hocheffizienten Solarzellenmaterial namens Perowskit mit einem Kupfer-Nanoblüten-Katalysator, um Kohlendioxid in nützliche Moleküle umzuwandeln. Im Gegensatz zu den meisten Metallkatalysatoren, die CO₂ nur in Moleküle mit einem Kohlenstoffatom umwandeln können, ermöglichen die Kupferblüten die Bildung komplexerer Kohlenwasserstoffe mit zwei Kohlenstoffatomen, wie Ethan und Ethylen – wichtige Bausteine für flüssige Kraftstoffe, Chemikalien und Kunststoffe.

Chemikalienproduktion ohne fossile Brennstoffe

Während heute fast alle Kohlenwasserstoffe aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden, ermöglicht die von den Forschern aus Cambridge und Berkeley entwickelte Methode die Herstellung sauberer Chemikalien und Kraftstoffe aus CO₂, Wasser und Glycerin – einer häufig vorkommenden organischen Verbindung – ohne zusätzliche Kohlenstoffemissionen.

Die Studie baut auf früheren Arbeiten des Teams an künstlichen Blättern auf, die von der Photosynthese inspiriert sind, dem Prozess, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln. „Wir wollten über die einfache Reduktion von Kohlendioxid hinausgehen und komplexere Kohlenwasserstoffe produzieren, aber das erfordert viel mehr Energie“, sagt Dr. Virgil Andrei vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, der Hauptautor der Studie.

Andrei, ein Wissenschaftlicher Mitarbeiter des St. John's College in Cambridge, führte die Arbeiten im Rahmen des Winton Cambridge-Kavli ENSI-Austauschprogramms im Labor von Professor Peidong Yang an der University of California in Berkeley durch.

Höhere Effizienz durch neue Katalysator-Kombination

Durch die Kopplung eines Perowskit-Lichtabsorbers mit einem Kupfer-Nanoröhren-Katalysator konnte das Team komplexere Kohlenwasserstoffe herstellen. Um die Effizienz noch weiter zu steigern und die energetischen Grenzen der Wasserspaltung zu überwinden, fügte das Team Elektroden aus Silizium-Nanodrähten hinzu, die stattdessen Glyzerin oxidieren können. Mit dieser neuen Plattform lassen sich Kohlenwasserstoffe wesentlich effizienter herstellen – 200-mal effizienter als mit früheren Systemen zur Spaltung von Wasser und Kohlendioxid.

Die Reaktion steigert nicht nur die CO₂-Reduktionsleistung, sondern produziert auch hochwertige Chemikalien wie Glycerat, Laktat und Formiat, die in der Pharmazie, Kosmetik und chemischen Synthese Verwendung finden.

Abfallstoffe als wertvolle Ressource nutzen

„Glycerin wird normalerweise als Abfallprodukt betrachtet, aber hier spielt es eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit“, sagt Andrei. „Das zeigt, dass wir unsere Plattform nicht nur für die Umwandlung von Abfällen, sondern für eine Vielzahl chemischer Prozesse einsetzen können. Indem wir die Oberfläche des Katalysators sorgfältig gestalten, können wir beeinflussen, welche Produkte wir erzeugen, und so den Prozess selektiver machen.“

Die derzeitige Selektivität von CO₂ zu Kohlenwasserstoffen liegt bei etwa 10 Prozent, aber die Forscher sind optimistisch, dass das Katalysatordesign verbessert werden kann, um die Effizienz zu steigern. Das Team kann sich vorstellen, seine Plattform auf noch komplexere organische Reaktionen anzuwenden und damit den Weg für Entwicklung in der nachhaltigen chemischen Produktion zu ebnen. Mit weiteren Verbesserungen könnte diese Forschung den Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Kreislaufwirtschaft beschleunigen.

Internationale Zusammenarbeit für nachhaltige Lösungen

„Dieses Projekt ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie globale Forschungspartnerschaften zu wirksamen wissenschaftlichen Fortschritten führen können“, sagte Andrei. „Durch die Kombination des Fachwissens von Cambridge und Berkeley haben wir ein System entwickelt, das die Art und Weise, wie wir Kraftstoffe und wertvolle Chemikalien auf nachhaltige Weise herstellen, revolutionieren könnte.“

Die Forschungsarbeiten wurden teilweise vom Winton-Programm für Physik der Nachhaltigkeit, dem St. John's College, dem US-Energieministerium, dem Europäischen Forschungsrat und UK Research and Innovation (UKRI) unterstützt.