Künstliche Photosynthese wandelt Kohlendioxid in verflüssigbare Kraftstoffe um
Chemiker der University of Illinois haben durch künstliche Photosynthese erfolgreich Kraftstoffe aus Wasser, Kohlendioxid und sichtbarem Licht hergestellt. Durch die Umwandlung von Kohlendioxid in komplexere Moleküle wie Propan ist die Ökostromtechnologie der Nutzung von überschüssigem CO2 zur Speicherung von Sonnenenergie - in Form von chemischen Verbindungen - für den Einsatz bei nicht scheinender Sonne und in Zeiten hoher Nachfrage einen Schritt näher gekommen.
Jain, Left und Yu führen künstliche Photosyntheseexperimente mit grünem Licht durch.
Fred Zwicky
Pflanzen nutzen das Sonnenlicht, um chemische Reaktionen zwischen Wasser und CO2 voranzutreiben, um Sonnenenergie in Form von energiegeladener Glukose zu erzeugen und zu speichern. In der neuen Studie entwickelten die Forscher einen künstlichen Prozess, der den gleichen Grünlichtanteil des sichtbaren Lichtspektrums nutzt, den Pflanzen während der natürlichen Photosynthese verwenden, um CO2 und Wasser in Kraftstoff umzuwandeln, in Verbindung mit elektronenreichen Goldnanopartikeln, die als Katalysator dienen. Die neuen Erkenntnisse werden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
"Das Ziel ist es, aus überschüssigem CO2 und anderen nachhaltigen Ressourcen wie Sonnenlicht komplexe, verflüssigbare Kohlenwasserstoffe herzustellen", sagt Prashant Jain, Chemieprofessor und Mitautor der Studie. "Flüssige Brennstoffe sind ideal, weil sie einfacher, sicherer und wirtschaftlicher zu transportieren sind als Gas und weil sie aus langkettigen Molekülen bestehen, mehr Bindungen enthalten - also Energie dichter verpacken."
In Jain's Labor verwendet Sungju Yu, ein Postdoc und Erstautor der Studie, Metallkatalysatoren, um grünes Licht zu absorbieren und Elektronen und Protonen zu übertragen, die für chemische Reaktionen zwischen CO2 und Wasser benötigt werden - was die Rolle des Pigments Chlorophyll bei der natürlichen Photosynthese ausfüllt.
Goldnanopartikel wirken besonders gut als Katalysator, sagte Jain, weil ihre Oberflächen gut mit den CO2-Molekülen interagieren, Licht effizient absorbieren und nicht wie andere Metalle, die leicht anlaufen können, zerfallen oder sich zersetzen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die in Bindungen des Kohlenwasserstoffbrennstoffs gespeicherte Energie freigesetzt wird. Jedoch beendet die einfache herkömmliche Methode der Verbrennung herauf das Produzieren von mehr CO2 - das zum Begriff der Ernte und der Speicherung der Sonnenenergie an erster Stelle kontraproduktiv ist, sagte Jain.
"Es gibt noch andere, unkonventionellere Einsatzmöglichkeiten der aus diesem Prozess entstehenden Kohlenwasserstoffe", sagte er. "Sie könnten für den Betrieb von Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischem Strom und Spannung verwendet werden. Es gibt Labore auf der ganzen Welt, die versuchen herauszufinden, wie die Umwandlung von Kohlenwasserstoff in Strom effizient durchgeführt werden kann", sagte Jain.
So spannend die Entwicklung dieses CO2-to-Liquid-Kraftstoffs für die grüne Energietechnologie auch sein mag, die Forscher erkennen an, dass Jains künstlicher Photosyntheseprozess bei weitem nicht so effizient ist wie in Pflanzen.
"Wir müssen lernen, wie wir den Katalysator abstimmen, um die Effizienz der chemischen Reaktionen zu erhöhen", sagte er. "Dann können wir mit der harten Arbeit beginnen, herauszufinden, wie wir den Prozess vergrößern können. Und wie bei jeder unkonventionellen Energietechnologie werden auch hier viele Fragen der Wirtschaftlichkeit zu beantworten sein."
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