Umwandlung von atmosphärischem CO2 in energiereiche Chemikalien

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Ameisensäure aus CO2 mithilfe einer auf Aluminiumoxid basierenden Verbindung

Die Photoreduktion von CO2 in transportable Brennstoffe wie Ameisensäure (HCOOH) ist eine „großartige Möglichkeit, dem steigenden CO2-Gehalt in der Atmosphäre zu begegnen“ – so eine  Medienmitteilung des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) vom 16.05.2022. Zu diesem Zweck hat ein japanisches Forschungsteam ein leicht verfügbares Mineral auf Eisenbasis ausgewählt und auf einen Aluminiumoxidträger aufgebracht, um einen Katalysator zu entwickeln, der CO2 mit einer Selektivität von 90 % effizient in HCOOH umwandeln kann. Ähnliches berichteten chinesische Wissenschaftler vor einem halben Jahr: solarify.eu/ameisensaeure-aus-kohlendioxid-und-wasser.

Täuschend leere Autobahn: Montage © Agentur Zukunft

Der steigende CO2-Gehalt in unserer Atmosphäre und sein Beitrag zur globalen Erwärmung ist inzwischen allgemein bekannt. Während Forscher mit verschiedenen Möglichkeiten zur Bekämpfung dieses Problems experimentieren, hat sich eine effiziente Lösung herauskristallisiert – die Umwandlung von überschüssigem atmosphärischem CO2 in energiereiche Chemikalien.

Die Herstellung von Brennstoffen wie Ameisensäure durch Photoreduktion von CO2 unter Sonnenlicht hat in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da dieser Prozess in zweifacher Hinsicht von Vorteil ist: Er kann überschüssige CO2-Emissionen reduzieren und gleichzeitig dazu beitragen, die Energieknappheit, mit der wir derzeit konfrontiert sind, zu verringern. Als hervorragender Wasserstoffträger mit hoher Energiedichte kann Ameisensäure durch Verbrennung Energie liefern, wobei als Nebenprodukt nur Wasser freigesetzt wird.

Um diese lukrative Lösung in die Realität umzusetzen, haben Wissenschaftler photokatalytische Systeme entwickelt, die CO2 mit Hilfe von Sonnenlicht reduzieren können. Ein solches System besteht aus einem lichtabsorbierenden Substrat (d. h. einem Photosensibilisator) und einem Katalysator, der die für die Reduktion von CO2 zu Ameisensäure erforderlichen Mehrfachelektronenübertragungen ermöglicht. Und so begann die Suche nach einem geeigneten und effizienten Katalysator!

Feste Katalysatoren galten aufgrund ihrer Effizienz und ihrer potenziellen Wiederverwertbarkeit als die besten Kandidaten für diese Aufgabe, und im Laufe der Jahre wurden die katalytischen Fähigkeiten zahlreicher metallorganischer Gerüste (MOFs) auf Kobalt-, Mangan-, Nickel- und Eisenbasis erforscht, wobei letztere einige Vorteile gegenüber anderen Metallen aufweisen. Allerdings liefern die meisten der bisher berichteten Katalysatoren auf Eisenbasis nur Kohlenmonoxid als Hauptprodukt, nicht aber Ameisensäure.

Dieses Problem wurde jedoch bald von einem Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Prof. Kazuhiko Maeda gelöst. In einer kürzlich in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Studie stellte das Team einen auf Aluminiumoxid (Al2O3) gestützten Katalysator auf Eisenbasis vor, der Alpha-Eisen(III)-Oxyhydroxid (?-FeOOH; Geothit) verwendet.

Abstract in Angewandte Chemie

„Die photokatalytische Umwandlung von CO2 in transportable Brennstoffe wie Ameisensäure (HCOOH) unter Sonnenlicht ist eine attraktive Lösung für die Verknappung von Energie- und Kohlenstoffressourcen sowie für den Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. Die Verwendung von häufig vorkommenden Elementen als Komponenten eines photokatalytischen CO2-Reduktionssystems ist wichtig, und ein fester Katalysator, der aktiv, wiederverwertbar, ungiftig und kostengünstig ist, wird dringend benötigt. Hier zeigen wir, dass ein weit verbreitetes Bodenmineral, Alpha-Eisen(III)-Oxyhydroxid (?-FeOOH; Goethit), das auf einen Al2O3-Träger aufgebracht ist, als wiederverwertbarer Katalysator für ein photokatalytisches CO2-Reduktionssystem unter sichtbarem Licht (?>400 nm) in Gegenwart eines RuII-Photosensibilisators und eines Elektronendonors funktioniert. Dieses System lieferte HCOOH als Hauptprodukt mit einer Selektivität von 80-90 % und einer scheinbaren Quantenausbeute von 4,3 % bei 460 nm, was durch Isotopen-Tracer-Experimente mit 13CO2 bestätigt wurde. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Verwendung eines geeigneten Trägermaterials eine weitere Methode der Katalysatoraktivierung für die selektive Reduktion von CO2 ist.
Durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe entstehende CO2-Emissionen sind zu einem ernsten Problem geworden. Unter den verschiedenen vorgeschlagenen Methoden und Systemen zur Lösung dieses Problems wird die photokatalytische CO2-Reduktion voraussichtlich eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft sein. Die Herstellung transportabler Brennstoffe wie Ameisensäure (HCOOH) hat Aufmerksamkeit erregt, da sie als Energieträger für Wasserstoff fungieren können, der nach der Verbrennung eine hohe Energiedichte freisetzt, ohne andere Nebenprodukte als Wasser zu erzeugen.
Da bei der Reduktion von CO2 zu wertschöpfenden Chemikalien mindestens zwei Elektronen übertragen werden müssen, ist ein Katalysator erforderlich, der die Übertragung mehrerer Elektronen ermöglicht. Bislang wurden verschiedene Metallkomplexe auf der Basis von häufig vorkommenden Metallen wie MnI, FeII, CoI und NiII als effiziente Katalysatoren für die photokatalytische CO2-Reduktion beschrieben.

Der neue ?-FeOOH/Al2O3-Katalysator wies hervorragende Eigenschaften bei der Umwandlung von CO2 in HCOOH auf und ließ sich hervorragend recyceln. Auf die Frage nach der Wahl des Katalysators sagt Prof. Maeda: „Wir wollten häufiger vorkommende Elemente als Katalysatoren in einem CO2-Photoreduktionssystem erforschen. Wir brauchen einen festen Katalysator, der aktiv, wiederverwertbar, ungiftig und kostengünstig ist, weshalb wir ein weit verbreitetes Bodenmineral wie Goethit für unsere Experimente gewählt haben.“

Für die Synthese des Katalysators wählte das Team eine einfache Imprägnierungsmethode. Anschließend verwendeten sie das mit Eisen beladene Al2O3-Material für die photokatalytische Reduktion von CO2 bei Raumtemperatur in Gegenwart eines Photosensibilisators auf Rutheniumbasis (Ru), eines Elektronendonors und sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von über 400 Nanometern.

Die Ergebnisse waren recht ermutigend; ihr System zeigte eine Selektivität von 80-90 % für das Hauptprodukt HCOOH und eine Quantenausbeute von 4,3 % (was auf die Effizienz des Systems hinweist).

In dieser Studie wird zum ersten Mal ein fester Katalysator auf Eisenbasis vorgestellt, der in Verbindung mit einem wirksamen Photosensibilisator HCOOH erzeugen kann. Außerdem wird die Bedeutung eines geeigneten Trägermaterials (Al2O3) und dessen Einfluss auf die photochemische Reduktionsreaktion untersucht.

Die Erkenntnisse aus dieser Forschung könnten bei der Entwicklung neuer Katalysatoren – frei von Edelmetallen – für die photochemische Reduktion von CO2 zu anderen nützlichen Chemikalien helfen. „Unsere Studie zeigt, dass der Weg zu einer grüneren Energiewirtschaft nicht kompliziert sein muss. Großartige Ergebnisse können auch mit einfachen Methoden der Katalysatorherstellung erzielt werden, und bekannte, in der Erde vorkommende Verbindungen können als selektive Katalysatoren für die CO2-Reduktion verwendet werden, wenn sie von Verbindungen wie Aluminiumoxid getragen werden“, schließt Prof. Maeda.

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