Künstliches Blatt braut flüssigen Kraftstoff aus Kohlendioxid

Die Idee der künstlichen Photosynthese ist verlockend: Geräte, die Sonnenlicht und Kohlendioxid aufsaugen und dann in Gegenwart von Wasser Kraftstoffe produzieren könnten. Die Entwürfe haben sich von Systemen im Jahr 2011, die Wasser spalteten, um Wasserstoffkraftstoffe herzustellen, zu neueren, komplexeren Systemen weiterentwickelt, die darauf abzielten, Kohlendioxid zu reduzieren, indem es zur Herstellung kohlenstoffbasierter Kraftstoffe verwendet wurde.

Aber es geht langsam voran. Forschern ist es im Laufe der Jahre gelungen, Systeme zu entwickeln, die effizient Wasserstoff produzieren, und vor Kurzem haben sie ein System entwickelt, das Synthesegas herstellen kann, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die zur Herstellung anderer Produkte wie Methanol verwendet wird. Aber ein Gerät, das nützliche flüssige Brennstoffe direkt brauen kann, ist den Forschern bisher entgangen.

Forscher der Universität Cambridge haben nun das erste künstliche Blatt hergestellt, das Kohlendioxid in die flüssigen Kraftstoffe Propanol und Ethanol umwandeln kann. Während andere bereits zuvor die strombetriebene Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoffe demonstriert haben, ist die neue Arbeit, über die in der Fachzeitschrift Nature Energy berichtet wird, ein entscheidender Fortschritt bei der Nutzung von Sonnenlicht zur direkten Herstellung sauberer, nützlicher Kraftstoffe aus Kohlendioxid in einem Schritt.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, Solarkraftstoffe herzustellen, um die Energie der Sonne für die spätere Nutzung abzufüllen und Kohlendioxidemissionen aus der Atmosphäre zu entfernen. Künstliche Photosynthese fällt in diese breite Kategorie und kann mit mehreren Ansätzen erreicht werden. Eine davon ist die Photokatalyse, bei der Sonnenlicht direkt auf einen lichtgesteuerten Katalysator wie Titandioxid fällt, der die chemischen Reaktionen zur Reduzierung von Kohlendioxid und zur Spaltung von Wasser auslöst.

Das Cambridge-Team wählte stattdessen einen photoelektrochemischen Ansatz, erklärt Motiar Rahaman, Mitglied des Teams und Chemieforscher in Cambridge. Bei diesem Ansatz handelt es sich um eine Zelle mit halbleitenden Fotoelektroden, die Sonnenlicht absorbieren und Strom erzeugen, der eine katalysatorgesteuerte chemische Reaktion antreibt. Im Jahr 2019 stellten der Cambridge-Chemieprofessor Erwin Reisner und seine Kollegen das erste künstliche Blattgerät her, das Synthesegas produzierte, und 2022 folgte eine leichte schwimmende Version eines solchen Geräts.

Jedes dieser Geräte verfügt über eine Kathode aus einem photovoltaischen Perowskit und einem Kobaltkatalysator sowie eine Anode aus dem Photokatalysator Wismutvanadat. Wenn das Gerät in Wasser getaucht wird, absorbiert Bismutvanadat Sonnenlicht und löst an der Anode den Prozess der Wasserspaltung aus. Währenddessen erzeugt der Perowskit an der Kathode Elektrizität, die den Kobaltkatalysator antreibt, um Kohlendioxid zu reduzieren und Synthesegas zu erzeugen.

Rahaman, Reisner und das Team haben das Gerät nun mit einem von ihnen entwickelten speziellen Katalysator aufgerüstet, der es dem Gerät ermöglicht, Mehrkohlenstoffalkohole anstelle von Synthesegas zu produzieren. Kupfer sei das einzige bekannte Metall, das aus Kohlendioxid Multikohlenstoffprodukte bilden könne, sagt Rahaman, aber der Prozess brauche viel Energie. Deshalb haben die Forscher es mit Palladium dotiert, um einen bimetallischen Kupfer-Palladium-Katalysator herzustellen, der „diese Aufgabe bei niedrigem Potenzial erledigt und wenig Energie benötigt“.

Ein künstliches Blatt wird getestet, indem es in einem Photoreaktor der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wird. Motiar Rahaman

Das Gerät aktiviert sich und beginnt fast sofort mit der Produktion der Alkohole – mit einem Verhältnis von Propanol zu Ethanol von eins zu eins –, wenn es in Wasser unter Sonnenlicht getaucht wird. Die Forscher ließen die Reaktion 20 Stunden lang im Labor laufen und trennten dann den Alkohol aus dem Reaktor.

Es befinde sich noch im Anfangsstadium, sagt Rahaman, und das Gerät sei winzig – nur 5 Millimeter seitlich. Es produziert nur Mikroliter Alkohol pro Quadratzentimeter Fläche. Das Team arbeitet jedoch daran, die Effizienz des Geräts zu verbessern, indem es die lichtabsorbierenden Materialien optimiert, um mehr Sonnenlicht einzufangen, und den Katalysator optimiert, um mehr Kohlendioxid in Kraftstoff umzuwandeln. Sie planen außerdem, das Gerät so zu vergrößern, dass es größere Kraftstoffmengen produzieren kann.

„Das Gerät ist noch klein, weil wir die Technologie gerade erst erfunden haben“, sagt er. „Wir bekommen jetzt Alkohole in Mikrolitermengen. Aber wir haben die Wissenschaft erfunden. Jetzt wird es ein technischer Aufwand sein, um in einen größeren Maßstab zu gelangen. Wenn wir die Oberfläche vergrößern, erhöht sich auch die Produktmenge.“

Diese Geschichte wurde am 5. Juni 2023 aktualisiert.