Cambridge-Forscher nutzen Sonnenlicht, um saubere, flüssige Tropfen zu erzeugen

Motiyar Rahman

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Forschern der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich ist es gelungen, den Prozess der Photosynthese nachzubilden, um Kohlendioxid und Wasser in Treibstoff umzuwandeln. Der Höhepunkt der Forschung sei, dass der Kraftstoff als Ersatzkraftstoff für bestehende Fahrzeuge verwendet werden könne, heißt es in einer Pressemitteilung.

Da Länder auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten suchen, sich von fossilen Brennstoffen zu lösen, werden elektrische Transportmittel gefördert, während gleichzeitig der Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (ICE) unterbunden wird. Obwohl die Politik die richtige Absicht hat, wird eine obligatorische Umstellung auf Elektrofahrzeuge Millionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf dem Schrottplatz zurücklassen und gleichzeitig die Nachfrage nach Seltenerdmineralien steigern, die für die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien benötigt werden.

Ein kohlenstofffreier Drop-in-Kraftstoff könnte die Lebensdauer von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verlängern, ohne Bedenken hinsichtlich einer Schädigung der Umwelt aufkommen zu lassen. Die Forschung in Cambridge verspricht, diese Möglichkeit in naher Zukunft Wirklichkeit werden zu lassen.

Als Ersatz für fossile Brennstoffe wurden Biokraftstoffe wie Ethanol vorgeschlagen. Länder haben bereits damit begonnen, sie in kleineren Anteilen als Ersatzstoffe zu verwenden. Allerdings erfordert die Produktion von Biokraftstoffen die Umnutzung landwirtschaftlicher Flächen.

Angesichts der ständig wachsenden Weltbevölkerung stellen viele die Notwendigkeit in Frage, Lebensmittel in Treibstoff umzuwandeln. Allein in den USA werden 45 Prozent des angebauten Mais für die Ethanolproduktion verwendet.

Motiar Rahman

Erwin Reisner und sein Forscherteam in Cambridge haben nach Möglichkeiten gesucht, kohlenstofffreie Kraftstoffe zu erzeugen und haben ihre Antwort im künstlichen Blatt gefunden. Genau wie ihre natürlichen Gegenstücke wandeln künstliche Blätter Kohlendioxid und Wasser in verwertbare Chemikalien um, die in der Pharma-, Kunststoff- oder Kraftstoffindustrie verwendet werden können.

Mit ihrem künstlichen Blatt konnten die Forscher Synthesegas herstellen – eine Kombination aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Sie benötigten es jedoch, um viel komplexere Chemikalien in einem einzigen Schritt herzustellen, wenn die Technologie praktische Anwendungen haben sollte.

Anschließend entwickelten die Forscher einen Katalysator aus Kupfer und Palladium, der es dem künstlichen Blatt ermöglichte, komplexe Chemikalien wie Ethanol und Propanol zu produzieren. Beide Mehrkohlenstoffalkohole sind ebenfalls Kraftstoffe mit hoher Dichte, die sich leicht lagern und transportieren lassen.

Forschungen anderer Gruppen haben ebenfalls zur Synthese dieser Alkoholmoleküle geführt, die Energiequelle war in ihrem Fall jedoch Elektrizität. Dies ist das erste Mal, dass ausschließlich Sonnenenergie zur Synthese dieser Chemikalien genutzt wird.

Das Gerät befindet sich noch im Proof-of-Concept-Stadium. Das Forschungsteam arbeitet nun daran, die Lichtabsorber und den Katalysator zu optimieren, damit mehr Kraftstoff erzeugt werden kann und die Gesamteffizienz des Systems steigt. Bei weiteren Arbeiten wird es auch darum gehen, das Blatt zu vergrößern, damit große Mengen Kraftstoff auf einmal erzeugt werden können.

Die Forschungsergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Abstrakt:

Die Synthese flüssiger Kraftstoffe mit hoher Energiedichte aus CO2 und H2O mithilfe von Sonnenlicht hat das Potenzial, eine Kreislaufwirtschaft zu schaffen. Trotz der Fortschritte bei der Herstellung einfacher gasförmiger Produkte bleibt der Zusammenbau von photoelektrochemischen Geräten ohne fremde Hilfe für die Produktion flüssiger Multikohlenstoffe eine große Herausforderung. Hier haben wir ein eigenständiges künstliches Blattgerät zusammengestellt, indem wir einen aus Oxiden gewonnenen Cu94Pd6-Elektrokatalysator mit Perowskit-BiVO4-Tandem-Lichtabsorbern integriert haben, die die CO2-Reduktion mit der Wasseroxidation koppeln. Das bedrahtete Cu94Pd6 | Das Perowskit-BiVO4-Gerät bietet einen Faraday-Wirkungsgrad von ~7,5 % für Alkohole mit mehreren Kohlenstoffatomen (~1:1 Ethanol und n-Propanol), während das eigenständige künstliche Blatt nach 20 Stunden ohne Unterstützung unter AM 1,5 ~1 μmol cm−2 Alkohole produziert G-Bestrahlung mit einer Rate von ~50 μmol h−1 gCuPd−1. Diese Studie demonstriert die Herstellung von Multi-Kohlenstoff-Flüssigkraftstoffen aus CO2 über einem künstlichen Blatt und bringt uns damit der Nutzung von Sonnenlicht zur Herstellung komplexer Mehrwertprodukte einen Schritt näher.