Neuer Katalysator nutzt Licht um Kohlendioxid in Kraftstoff umzuwandeln
Forscher finden neue Wege, um Kohlendioxid in eine nutzbare Kraftstoffquelle umzuwandeln.
Ein Blick in die Synchrotronkammer der harten Röntgen-Nanosonde unter Messung der Reaktion eines einzelnen Kupferoxidpartikels auf die Exposition von Kohlendioxid, Wasser und Licht.
Tijana Rajh / Argonne National Laboratory
Die Konzentration von Kohlendioxid in unserer Atmosphäre nimmt ständig zu, und viele Wissenschaftler glauben, dass es Auswirkungen auf unsere Umwelt hat. Vor kurzem haben Wissenschaftler nach Wegen gesucht, um einen Teil des Kohlenstoffs in der Atmosphäre zurückzugewinnen und ihn möglicherweise in brauchbaren Brennstoff umzuwandeln - was ein heiliger Gral für eine nachhaltige Energieerzeugung wäre.
In einer aktuellen Studie des Argonne National Laboratory des U.S. Department of Energy (DOE) haben Wissenschaftler Sonnenlicht und einen Katalysator verwendet, der größtenteils aus Kupfer besteht, um Kohlendioxid in Methanol umzuwandeln. Methanol, ein flüssiger Kraftstoff, bietet der Industrie das Potenzial, eine zusätzliche Quelle zu finden, um den Energiebedarf Amerikas zu decken.
"Kohlendioxid ist ein so stabiles Molekül und entsteht durch die Verbrennung von praktisch allem, also stellt sich die Frage, wie wir die Natur bekämpfen und von einem wirklich stabilen Endprodukt zu einem nützlichen und energiereichen Produkt übergehen", sagt Argonne Distinguished Fellow Tijana Rajh
Die Studie beschreibt einen Photokatalysator aus Kupferoxid (Cu2O), einem Halbleiter, der unter Lichteinwirkung Elektronen erzeugen kann, die verfügbar werden, um mit vielen Verbindungen zu reagieren oder zu reduzieren. Nach der Anregung hinterlassen Elektronen ein positives Loch im Valenzband des Katalysators mit niedrigerer Energie, das wiederum Wasser oxidieren kann.
"Dieser Photokatalysator ist besonders spannend, weil er eines der negativsten Leitungsbänder hat, die wir verwendet haben, was bedeutet, dass die Elektronen mehr potenzielle Energie zur Verfügung haben, um Reaktionen durchzuführen", sagte Argonne, der ausgezeichnete Kollege Tijana Rajh, ein Autor der Studie.
Bisherige Versuche, mit Photokatalysatoren wie Titandioxid Kohlendioxid zu reduzieren, führten tendenziell zu einem ganzen Mix aus verschiedenen Produkten, von Aldehyden bis Methan. Die mangelnde Selektivität dieser Reaktionen machte es schwierig, einen brauchbaren Kraftstoffstrom zu trennen, erklärte Rajh.
"Kohlendioxid ist ein so stabiles Molekül und es entsteht durch die Verbrennung von praktisch allem, also ist die Frage, wie wir die Natur bekämpfen und von einem wirklich stabilen Endprodukt zu etwas Nützlichem und Energiereichem übergehen", sagte Rajh.
Die Idee, Kohlendioxid in nutzbare Energie umzuwandeln, kommt von dem einen Ort in der Natur, wo dies regelmäßig geschieht. "Wir hatten diese Idee, die Photosynthese zu kopieren, die Kohlendioxid zur Herstellung von Lebensmitteln verwendet, also warum konnten wir sie nicht zur Herstellung von Kraftstoff verwenden", sagte Rajh. "Es stellt sich als ein komplexes Problem heraus, denn um Methanol herzustellen, braucht man nicht nur ein Elektron, sondern sechs."
Durch den Wechsel von Titandioxid zu Kupferoxid entwickelten die Wissenschaftler einen Katalysator, der nicht nur ein negativeres Leitungsband aufweist, sondern auch wesentlich selektiver in Bezug auf seine Produkte ist. Diese Selektivität resultiert nicht nur aus der Chemie des Kupferoxids, sondern auch aus der Geometrie des Katalysators selbst.
"Mit der Nanowissenschaft beginnen wir, uns in die Oberflächen einzumischen, um bestimmte Hotspots zu induzieren oder die Oberflächenstruktur zu verändern, Spannungen oder bestimmte Oberflächenstellen anders freizulegen, als sie in der Masse sind", sagte Rajh.
Durch diese "Einmischung" gelang es Rajh und Argonne Postdoc-Forscher Yimin Wu, heute Assistenzprofessor an der University of Waterloo, einen Katalysator mit etwas gespaltener Persönlichkeit zu schaffen. Die von ihnen entwickelten Mikropartikel aus Kupferoxid haben unterschiedliche Facetten, ähnlich wie ein Diamant unterschiedliche Facetten hat. Viele der Facetten des Mikropartikels sind inert, aber man ist sehr aktiv bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol.
Laut Rajh liegt der Grund, warum diese Facette so aktiv ist, in zwei einzigartigen Aspekten. Erstens bindet sich das Kohlendioxidmolekül so an es, dass sich die Struktur des Moleküls tatsächlich leicht biegt und die Energiemenge, die zur Reduktion benötigt wird, abnimmt. Zweitens werden auch Wassermoleküle sehr nah an der Stelle absorbiert, an der die Kohlendioxidmoleküle absorbiert werden.
"Um Kraftstoff herzustellen, muss man nicht nur Kohlendioxid reduzieren, sondern auch Wasser oxidieren", sagte Rajh. "Auch die Adsorptionskonformation in der Photokatalyse ist äußerst wichtig - wenn man ein Molekül Kohlendioxid auf eine Weise absorbiert hat, könnte es völlig nutzlos sein. Aber wenn es sich in einer gebogenen Struktur befindet, senkt es die zu reduzierende Energie."
Die Wissenschaftler von Argonne verwendeten auch die Rasterfluoreszenz-Röntgenmikroskopie an der Advanced Photon Source (APS) von Argonne und die Transmissionselektronenmikroskopie am Center for Nanoscale Materials (CNM), um die Natur der facettierten Kupferoxid-Mikropartikel zu enthüllen. Die APS und CNM sind beide DOE Office of Science User Facilities.
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