Endlich effizient grüne Kraftstoffe durch Sonnenlicht herstellen
Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Weg gefunden, umweltfreundliche Kraftstoffe aus Kohlenstoffdioxid herzustellen. Grundlage ist ein lichtaktiviertes Material. Das könnte dem Ansatz, an dem viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen arbeiten, den nötigen Effizienz-Schub verleihen.
Dank des neuen Materials entsteht mehr grüner Kraftstoff bei der Photokatalyse.
Foto: University of Nottingham
Der Weg zu einem klimaneutralen Umgang mit Energie ist steinig. Unter anderem für den Verkehrssektor ist es schwierig, auf umweltfreundliche Formen umzusteigen. Denn für Schwerlastfahrzeuge oder gar Flugzeuge sind die aktuell verfügbaren Elektromotoren und Akkus keine Option. Leistung und Reichweite reichen nicht aus. Neben Wasserstoff werden sogenannte grüne Kraftstoffe als mögliche Alternative gehandelt. Das setzt aber geeignete Herstellungsverfahren voraus. Ein internationales Forschungsteam hat jetzt eine wichtige Entdeckung vorgestellt. Sie könnte das Prinzip der Photokatalyse entscheidend voranbringen. Beteiligte waren Mitarbeitende der University of Nottingham, der University of Birmingham, der University of Queensland und der Universität Ulm.
Grüne Kraftstoffe: Methanol statt CO2
Kohlendioxid ist das wichtigste klimaschädliche Gas und damit der Hauptverursacher des Klimawandels. Für Fachleute ist klar, dass es nicht ausreichen wird, künftige Emissionen zu reduzieren. Gleichzeitig sind Technologien gefragt, um der Atmosphäre CO2 zu entziehen. Doch damit entsteht das nächste Problem: Wohin mit dem CO2? Perfekt wäre es daher, verschiedene Maßnahmen miteinander zu verbunden – und Kohlendioxid zu nutzen, um beispielsweise grüne Kraftstoffe zu produzieren, die wiederum den Anteil fossiler Brennstoffe am Energiemix senken und somit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten können.
Eine Option ist die Photokatalyse. Dabei wird im Wesentlichen ein Halbleitermaterial mit Licht bestrahlt. Das regt wiederum Elektronen an, die dann durch das Material wandern, um mit CO2 und Wasser zu reagieren. Über dieses Verfahren lassen sich verschiedene Produkte herstellen, unter anderem der grüne Kraftstoff Methanol. So vielversprechend dieser Ansatz auch ist, fehlte bislang der große Durchbruch in Bezug auf seine Effizienz. Mit ihrer aktuellen Arbeit erheben die Forschenden den Anspruch, zumindest einen großen Schritt in die richtige Richtung gegangen zu sein.
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Spezielles Verfahren für die Photokatalyse
Der Schlüssel für die bessere Effizienz ist das Material, sagt Madasamy Thangamuthu, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of Chemistry der Universität Nottingham, der das Forschungsteam leitete: „Es gibt eine große Vielfalt an verschiedenen Materialien, die in der Photokatalyse verwendet werden. Es ist wichtig, dass der Photokatalysator Licht absorbiert und Ladungsträger mit hoher Effizienz trennt. Bei unserem Ansatz kontrollieren wir das Material auf der Nanoskala.“ Dafür habe das Team eine neue Form von Kohlenstoffnitrid mit kristallinen, nanoskaligen Domänen entwickelt. „Sie ermöglichen eine effiziente Wechselwirkung mit Licht und eine ausreichende Ladungstrennung.“
Die Forschenden entwickelten ein spezielles Verfahren, mit dem sie Kohlenstoffnitrid auf den erforderlichen Kristallinitätsgrad erhitzten, um die funktionellen Eigenschaften dieses Materials für die Photokatalyse zu verbessern. Mittels Magnetronsputtern scheiden sie atomares Kupfer in einem lösungsmittelfreien Prozess ab, was einen engen Kontakt zwischen den Halbleiter- und Metallatomen ermöglicht.
Selektivität verändert sich zu Methanol
Tara LeMercier von der University of Nottingham erklärt: „Wir haben den durch Licht erzeugten Strom gemessen und ihn als Kriterium für die Beurteilung der Qualität des Katalysators verwendet.“ Nach Angaben der Forschenden sei das Ergebnis äußerst gut: Auch ohne Kupfer sei die neue Form des Kohlenstoffnitrids 44 Mal aktiver als herkömmliches Kohlenstoffnitrid. „Zu unserer Überraschung vervierfachte sich diese Effizienz jedoch durch die Zugabe von nur ein Milligramm Kupfer pro ein Gramm Kohlenstoffnitrid“, ergänzt LeMercier.
Vergrößert wurde die Effizienz zusätzlich durch die sogenannte Selektivität. Damit ist das Phänomen gemeint, dass bei einer chemischen Reaktion ein hauptsächlich ein bestimmtes Produkt gebildet wird, obwohl verschiedene Produkte möglich wären. In diesem Fall änderte sich die Selektivität von dem Treibhausgas Methan zu dem grünen Kraftstoff Methanol.
In dem neuen Katalysator sehen die Forschenden auch deshalb eine zukunftsträchtige Option, weil die benötigten Elemente in ausreichender Menge verfügbar seien: Kohlenstoff, Stickstoff und Kupfer.
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