Erfolgreiche Kohlendioxid-Umwandlung

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Fotokatalyse erzeugt Methanol aus CO2

Mittels Fotokatalyse konnte eine Forschungsgruppe an der University of Nottingham’s School of Chemistry, der University of Birmingham, der University of Queensland und der Universität Ulm Methanol herstellen, indem sie einzelne Kupferatome, die auf einem lichtaktivierten Material abgeschieden sind, mit Sonnenlicht bestrahlten. Noch sind übliche Methoden ineffizient. Mit dem neuen Verfahren soll es sich ändern. Denn diese Entdeckung ebnet den Weg für die Herstellung neuer grüner Kraftstoffe. Die Kupferatome sind in die nanokristalline Struktur eingebettet, so dass die Elektronen vom Kohlenstoffnitrid zum CO2 wandern können, ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von Methanol aus CO2 unter dem Einfluss von Sonneneinstrahlung. Die Forschungsergebnisse wurden am 26.03.2024 open access im Sustainable Energy & Fuels Journal der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.

Elektrochemie: Brennstoffzelle (mit Methanol betrieben) – Foto © NASA, Gemeinfrei, commons.wikimedia.org

Bei der Photokatalyse wird ein Halbleitermaterial mit Licht bestrahlt, das Elektronen anregt, die dann durch das Material wandern, um mit CO2 und Wasser zu reagieren, was zu einer Reihe nützlicher Produkte führt, darunter Methanol, grüner Kraftstoff. Trotz der jüngsten Fortschritte leidet dieses Verfahren (noch) unter einem Mangel an Effizienz und Selektivität.

Kohlendioxid ist der größte Verursacher der globalen Erwärmung. Obwohl es möglich ist, CO2 in nützliche Produkte umzuwandeln, sind die herkömmlichen thermischen Verfahren auf Wasserstoff angewiesen, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Es ist wichtig, alternative Methoden auf der Grundlage von Photo- und Elektrokatalyse zu entwickeln, die sich die nachhaltige Sonnenenergie und den Reichtum des allgegenwärtigen Wassers zunutze machen.
In der Photokatalyse wird eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet. Es ist wichtig, dass der Photokatalysator Licht absorbiert und Ladungsträger mit hoher Effizienz trennt. In unserem Ansatz kontrollieren wir das Material auf der Nanoskala. Wir haben eine neue Form von Kohlenstoffnitrid mit kristallinen Domänen im Nanomaßstab entwickelt, die eine effiziente Interaktion mit Licht und eine ausreichende Ladungstrennung ermöglichen.

Die Forscher entwickelten ein Verfahren zur Erhitzung von Kohlenstoffnitrid auf den erforderlichen Kristallinitätsgrad, um die funktionellen Eigenschaften dieses Materials für die Photokatalyse zu maximieren. Mit Hilfe des Magnetron-Sputterns scheiden sie atomares Kupfer in einem lösungsmittelfreien Prozess ab, was einen engen Kontakt zwischen den Halbleiter- und Metallatomen ermöglicht.

Tara LeMercier, eine Doktorandin, die die experimentellen Arbeiten an der University of Nottingham, School of Chemistry, durchführte, sagte: „Wir haben den durch Licht erzeugten Strom gemessen und ihn als Kriterium für die Beurteilung der Qualität des Katalysators verwendet. Auch ohne Kupfer ist die neue Form des Kohlenstoffnitrids 44mal aktiver als herkömmliches Kohlenstoffnitrid. Zu unserer Überraschung vervierfachte sich diese Effizienz jedoch durch die Zugabe von nur 1 mg Kupfer pro 1 g Kohlenstoffnitrid. Vor allem aber änderte sich die Selektivität von Methan zu Methanol.

Die Valorisierung von Kohlendioxid ist der Schlüssel zum Erreichen des Netto-Null-Ziels des Vereinigten Königreichs. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Nachhaltigkeit unserer Katalysatormaterialien für diese wichtige Reaktion sicherzustellen. Ein großer Vorteil des neuen Katalysators ist, dass er aus nachhaltigen Elementen – Kohlenstoff, Stickstoff und Kupfer – besteht, die auf unserem Planeten reichlich vorhanden sind. Diese Erfindung ist ein bedeutender Schritt hin zu einem tieferen Verständnis der photokatalytischen Materialien für die CO2-Umwandlung. Sie eröffnet einen Weg zur Schaffung hochselektiver und abstimmbarer Katalysatoren, bei denen das gewünschte Produkt durch Steuerung des Katalysators auf der Nanoskala eingestellt werden kann.

BAM-ForscherInnen wandeln CO2 mithilfe von Bakterien und Solarstrom in nützliche Chemikalien um

ForscherInnen der Bundesanstalt für Materialprüfung und -forschung haben eine neues Verfahren entwickelt, um mithilfe von Bakterien und Solarstrom nützliche Chemikalien aus CO2 zu gewinnen. Dem Team um Tim Fellinger ist es laut einer Medienmitteilung vom 03.04.2024 gelungen, Elektrolyse und Fermentation in einem System miteinander zu kombinieren, um aus CO2 nutzbare Ausgangssubstanzen herzustellen. In Zukunft könnten damit in der Industrie Treibhausgasemissionen genutzt, statt in die Atmosphäre freigesetzt zu werden.

Die Reduzierung des Treibhausgases CO2 ist entscheidend, um die Folgen des Klimawandels zu begrenzen. In diesem Zusammenhang ist das Interesse an biokatalytischen Prozessen gewachsen, die CO2-Emissionen binden und in nützliche Chemikalien umzuwandeln können. Dass sich Kohlendioxid mithilfe von Bakterien elektrochemisch aufwerten lässt, ist dem Prinzip nach bekannt. Dafür werden die Verfahren der Elektrolyse und der Fermentation kombiniert: CO2 wird erst zu CO reduziert und dann von Bakterien zu Essigsäure oder auch zu Ethanol oder Butandiol verstoffwechselt – Säuren und Alkohole, die als Ausgangsstoffe für Spezialchemikalien dienen können.

Bislang jedoch erfolgen Elektrolyse und Fermentation in zwei getrennten Schritten. Denn die Katalysatoren der Elektrolysegeräte, die aus Gold, Silber oder Kupfer bestehen, sind empfindlich gegenüber der Flüssigkeit, die für die Fermentation benötigt wird. Auch vertragen sich wiederum die Metalle aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung nicht gut mit den nützlichen Mikroorganismen.

Eine Untersuchung der BAM zeigt nun, wie sich Elektrolyse und Fermentation in einem System miteinander kombinieren lassen. Dafür hat das Team neuartige Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis entwickelt. Die Materialien sind biokompatibel, beeinträchtigen die Funktion der Bakterien also nicht, und sind zudem deutlich kostengünstiger als bisherige Katalysatoren. Die Machbarkeit des Konzepts wurde in standardisierten Bioreaktoren erfolgreich demonstriert. Ein optimierter Prozess ließe sich also schnell in die industrielle Anwendung bringen.

„Unsere Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige und dezentrale Produktion von CO2-basierten Chemikalien. Sie zeigen das Potenzial der Kombination von biologischen und elektrokatalytischen Prozessen“, erläutert Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Fachbereichs für Elektrochemische Energiematerialien der BAM. „Die Technologie ließe sich dezentral und in Kombination mit Ökostrom aus Solaranlagen dort einsetzen, wo bei Produktionsprozessen stetig Kohlendioxid produziert und bisher mangels Alternativen als Klimagas in die Atmosphäre freigesetzt wird.“ Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden am 18.01.2024 open access in ChemElectroChem publiziert.

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