Licht als Katalysator: Neue Wege in der CO2-Reduktion
Sichtbares Licht verbessert die CO2-Umwandlung, erhöht die chemische Selektivität und bietet neue Möglichkeiten für nachhaltige Kraftstoffproduktion.
Forschende haben gezeigt, dass sichtbares Licht die CO2-Umwandlung und somit die Herstellung synthetischer Kraftstoffe effizienter machen kann.
Foto: PantherMedia / Furian
Die Verwendung von sichtbarem Licht zur Beschleunigung und Verbesserung des CO2-Recyclingprozesses könnte eine bedeutende Rolle in der chemischen Industrie spielen. Forschende haben gezeigt, dass Licht nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern auch die chemische Selektivität deutlich verbessert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen und anderen Chemikalien. Die Technologie steht jedoch noch vor Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die industrielle Skalierung und Energieeffizienz.
Sichtbares Licht als Katalysator
Der Prozess der CO2-Umwandlung, bekannt als elektrochemische Reduktion, basiert auf der Spaltung von CO2 und Wasser in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2). Diese Gase dienen als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kraftstoffen und anderen Chemikalien. Doch wie Prashant Jain, Chemieprofessor an der University of Illinois, erklärt: „Die Reaktion ist jedoch träge und der Prozess erfordert große Elektroden, die viel teures Katalysatormaterial wie Gold oder Kupfer enthalten.“
Um diese Herausforderung zu lösen, untersuchte Jains Team, wie sichtbares Licht in Kombination mit Elektroden aus einer Gold-Kupfer-Legierung die Effizienz des Prozesses steigern kann. Die Ergebnisse ihrer Arbeit, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen, dass Licht eine Schlüsselfunktion bei der Verbesserung der chemischen Reaktion übernimmt.
Verbesserte Selektivität durch Licht
Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen der Studie ist, dass sichtbares Licht die Selektivität der chemischen Reaktionen erhöht. Selektivität beschreibt die Fähigkeit einer Reaktion, bestimmte Moleküle gezielt zu produzieren, während andere Nebenprodukte vermieden werden. „Wir hatten nicht erwartet, dass die Verwendung von sichtbarem Licht einen so großen Einfluss auf die chemische Selektivität haben würde“, erklärt Jain. Dieser Fortschritt könnte die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen und anderen wertvollen Chemikalien erheblich verbessern.
Die Forschenden setzten Elektroden ein, die mit Nanopartikeln einer Gold-Kupfer-Legierung beschichtet waren. Diese Elektroden wirkten wie „winzige Antennen“, die sichtbares Licht einfangen und den chemischen Reaktionsweg beeinflussen, wie Jain weiter erläutert.
Licht und Elektrochemie im Labor
Im Labor testeten die Forschenden ihre Theorie, indem sie die Elektroden in eine Lösung aus CO2 und Wasser eintauchten, der ein Elektrolyt zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzt wurde. Sie legten dann eine Spannung an und bestrahlten die Elektrode mit einem Laser, der sichtbares Licht emittierte. Das Ergebnis: Die CO2-Spaltung zu Kohlenmonoxid und die Wasserspaltung zu Wasserstoff liefen deutlich schneller ab als ohne Licht.
Dieser Prozess könnte in der Zukunft nicht nur auf die CO2-Umwandlung, sondern auch auf andere katalytische Reaktionen angewendet werden, die für die chemische Industrie von großer Bedeutung sind. Jain fasst die Bedeutung der Entdeckung zusammen: „Durch die Verwendung von Licht erhöhen wir die Aktivität dieses Katalysators, aber überraschenderweise verändern wir auch die Selektivität. Dies wird neue chemische Wege für die Herstellung verschiedener Produkte eröffnen.“
Herausforderungen auf dem Weg zur Industrialisierung
Trotz des vielversprechenden Potenzials der Technologie stehen die Forschenden vor einigen Herausforderungen. Eine davon ist die langfristige Haltbarkeit der Nanopartikel-basierten Elektroden, die sich im industriellen Maßstab verschlechtern könnten. Zudem muss die Energieeffizienz des Verfahrens weiter optimiert werden, damit es sich auf breiter Basis durchsetzen kann.
Eine weitere Herausforderung ist die genaue Steuerung der Lichtzufuhr. Da Licht auch Wärme erzeugt, mussten die Forschenden sorgfältige Experimente durchführen, um den Einfluss der Temperatur von der reinen Lichteinwirkung zu trennen. Jain erklärt: „Wir haben Experimente mit und ohne Laser bei exakt derselben Temperatur durchgeführt und konnten eine Erwärmung als Ursache ausschließen.“
Das Potenzial für die chemische Industrie
Die Erkenntnisse aus dieser Forschung ebnen den Weg für nachhaltigere und effizientere Prozesse in der chemischen Industrie. Besonders interessant ist die Möglichkeit, das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, auch als Synthesegas bekannt, durch die Steuerung des Lichteinsatzes zu beeinflussen. Dies ist ein entscheidender Faktor für die industrielle Herstellung von synthetischen Kraftstoffen.
„Diese Erkenntnis ebnet den Weg für eine nachhaltigere und effizientere Energiezukunft“, betont Jain. Der Einsatz von Licht in der Chemie könnte nicht nur die CO2-Umwandlung revolutionieren, sondern auch viele andere chemische Prozesse effizienter gestalten.
Ein Beitrag von:
