Künstliches Blatt produziert erfolgreich reines Gas

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Syngas auf nachhaltige und einfache Weise direkt produziert 

Ein weit verbreitetes Gas, das derzeit aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, kann stattdessen mit einem „künstlichen Blatt“ hergestellt werden, das nur Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser verwendet und schließlich zur Entwicklung einer nachhaltigen Alternative zu flüssigem Kraftstoff verwendet werden könnte. Die klimaneutrale Vorrichtung setzt neue Maßstäbe im Bereich der Solarkraftstoffe, nachdem Forscher der University of Cambridge gezeigt haben, dass es das Gas – Syngas genannt – auf nachhaltige und einfache Weise direkt produziert werden kann.

Natürliches Blatt – Foto © Solarify

Anstatt mit fossilen Brennstoffen zu arbeiten, wird das Kunstblatt durch Sonnenlicht angetrieben, obwohl es auch an bewölkten und bedeckten Tagen effizient arbeitet. Und im Gegensatz zu den gängigen industriellen Verfahren zur Herstellung von Synthesegas setzt das Blatt kein zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre frei. Syngas wird derzeit aus einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid hergestellt und wird zur Herstellung einer Reihe von Rohstoffen wie Kraftstoffen, Pharmazeutika, Kunststoffen und Düngemitteln verwendet.

„Man hat vielleicht noch nie von Synthesegas selbst gehört, aber jeden Tag konsumiert man Produkte, die mit ihm hergestellt wurden. Es wäre ein entscheidender Schritt, den globalen Kohlenstoffkreislauf zu schließen und eine nachhaltige Chemie- und Kraftstoffindustrie aufzubauen“, sagte Senior-Autor Professor Erwin Reisner vom Cambridge Department of Chemistry, der sieben Jahre lang auf dieses Ziel hingearbeitet hat. Das von Reisner und seinen Kollegen entwickelte Gerät ist von der Photosynthese inspiriert – dem natürlichen Prozess, bei dem Pflanzen die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Kohlendioxid in Nahrung umzuwandeln.

Bei dem künstlichen Blatt werden zwei Lichtabsorber, ähnlich den Molekülen in Pflanzen, die das Sonnenlicht nutzen, mit einem Katalysator aus dem natürlich vorkommenden Element Kobalt kombiniert. Wenn das Gerät in Wasser getaucht wird, verwendet ein Lichtabsorber den Katalysator zur Erzeugung von Sauerstoff. Der andere führt die chemische Reaktion durch, die Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff reduziert und das Synthesegasgemisch bildet.

Als zusätzlichen Bonus entdeckten die Forscher, dass ihre Lichtabsorber auch bei geringer Sonneneinstrahlung an einem regnerischen oder bedeckten Tag funktionieren. „Das bedeutet, dass Sie sich nicht darauf beschränken, diese Technologie nur in warmen Ländern einzusetzen oder den Prozess nur in den Sommermonaten zu betreiben“, sagt Doktorand Virgil Andrei, Erstautor der Arbeit. „Man kann es von morgens bis abends benutzen, überall auf der Welt.“

Die Forschung wurde im Christian-Doppler-Labor für nachhaltige SynGas-Chemie am Fachbereich Chemie der Universität durchgeführt. Sie wurde von der österreichischen Regierung und dem österreichischen Petrochemieunternehmen OMV kofinanziert, das nach Möglichkeiten sucht, sein Geschäft nachhaltiger zu gestalten. „Die OMV unterstützt das Christian-Doppler-Labor seit sieben Jahren sehr engagiert. Die Grundlagenforschung des Teams zur klimaneutralen Herstellung von Synthesegas als Basis für flüssigen Kraftstoff ist wegweisend“, sagte Michael-Dieter Ulbrich, Senior Advisor beim OMV.

Es wurden auch andere „künstliche Blattgeräte“ entwickelt, die in der Regel aber nur Wasserstoff produzieren. Die Cambridge-Forscher sagen, dass sie ihre Synthesegasproduktion nachhaltig steigern konnten, weil sie eine Kombination aus Materialien und Katalysatoren verwendet haben. Dazu gehören hochmoderne Perowskit-Lichtabsorber, die im Vergleich zu Lichtabsorbern aus Silizium oder farbstoffsensibilisierten Materialien eine hohe Photospannung und einen hohen elektrischen Strom liefern, um die chemische Reaktion, bei der Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert wird, anzutreiben. Statt Platin oder Silber verwendeten die Forscher auch Kobalt als molekularen Katalysator. Kobalt ist nicht nur kostengünstiger, sondern kann auch Kohlenmonoxid besser produzieren als andere Katalysatoren. Das Team prüft nun, wie es seine Technologie nutzen kann, um eine nachhaltige Alternative zu flüssigem Kraftstoff zu Benzin herzustellen.

Syngas wird bereits als Baustein bei der Herstellung von flüssigen Brennstoffen eingesetzt. „Was wir als nächstes tun möchten, anstatt zuerst Synthesegas herzustellen und es dann in flüssigen Kraftstoff umzuwandeln, ist, den flüssigen Kraftstoff in einem Schritt aus Kohlendioxid und Wasser herzustellen“, sagte Reisner, der auch Fellow des St. John’s College ist. Obwohl bei der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik große Fortschritte gemacht werden, ist die Entwicklung von synthetischem Benzin unerlässlich, da Strom derzeit nur etwa 25% unseres gesamten weltweiten Energiebedarfs decken kann. „Es gibt eine große Nachfrage nach flüssigen Kraftstoffen, um den Schwerverkehr, die Schifffahrt und die Luftfahrt nachhaltig zu betreiben“, sagte er.

„Wir wollen nachhaltig Produkte wie Ethanol entwickeln, die leicht als Kraftstoff verwendet werden können“, sagte Andrei. „Es ist eine Herausforderung, es in einem Schritt aus Sonnenlicht mit Hilfe der Kohlendioxid-Reduktionsreaktion herzustellen. Aber wir sind zuversichtlich, dass wir in die richtige Richtung gehen und die richtigen Katalysatoren haben, so dass wir glauben, dass wir in der Lage sein werden, ein Gerät herzustellen, das diesen Prozess in naher Zukunft demonstrieren kann“.

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