Den Weg zum Recycling von Kohlendioxid erhellen
Kombination von Solar-Harvesting-Materialien mit kohlendioxidverzehrenden Bakterien könnte ein effizienter Weg sein, saubere Brennstoffe zu erzeugen
Halbleiter-Photokatalysatoren, die Sonnenenergie effizient absorbieren, könnten helfen, die Energie zu reduzieren, die für den Antrieb eines bioelektrochemischen Prozesses benötigt wird, der CO2-Emissionen in wertvolle Chemikalien umwandelt, wie KAUST-Forscher gezeigt haben.
Das REM-Bild zeigt den dichten und gleichmäßigen kathodischen Biofilm, der hauptsächlich Chemolithoautotrophen enthält und als Biokatalysatoren für eine effiziente Umwandlung von Kohlendioxid in Acetat dienen könnte.
© 2020 KAUST
Die Wiederverwertung von CO2 könnte gleichzeitig die Kohlenstoffemissionen in die Atmosphäre reduzieren und gleichzeitig nützliche Chemikalien und Brennstoffe erzeugen, erklärt Bin Bian, ein Doktorand im Labor von Pascal Saikaly, der die Forschung leitete. "Die mikrobielle Elektrosynthese (MES), gekoppelt mit einer erneuerbaren Energieversorgung, könnte eine solche Technologie sein", sagt Bian.
MES nutzt die Fähigkeit einiger Mikroben, CO2 aufzunehmen und in Chemikalien, wie Acetat, umzuwandeln. In der Natur verstoffwechseln chemolithoautotrope Mikroben Mineralien als Energiequelle in einem Prozess, bei dem Elektronen abtransportiert werden. Diese Fähigkeit kann ausgenutzt werden, um CO2 in wertschöpfende Produkte umzuwandeln, wenn die Mikroben mit einem Strom von Elektronen und Protonen aus der anodischen Wasserspaltung in einer elektrochemischen Zelle versorgt werden.
In ihrer jüngsten Arbeit konzentrierte sich das Team nicht auf den CO2-zu-Acetat-Schritt, sondern arbeitete daran, den Energieeintrag für die Produktion von molekularem Sauerstoff (O2) an der Anode zu reduzieren, eine Reaktion, die die gesamte Zelle im Gleichgewicht hält. "Bei MES-Systemen wird angenommen, dass der Prozess, der die meiste Energie verbraucht, die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER) ist", erklärt Bian. Forscher haben lichteinfangende Anodenmaterialien wie Titandioxid verwendet, die die Energie des Sonnenlichts nutzen, um die OER voranzutreiben. In ihrer aktuellen Arbeit untersuchte das Team eine vielversprechende Alternative für die Photoanode, das Licht einfangende Material, Wismutvanadat.
Bismutvanadat absorbierte Energie aus einem viel breiteren Bereich des Sonnenspektrums als Titandioxid, wodurch die gesamte MES-Zelle effizienter wurde, wie das Team zeigte. "Wir erreichten eine Solar-zu-Acetat-Umwandlungseffizienz von 1,65 Prozent, was der höchste bisher gemeldete Wirkungsgrad ist", sagt Saikaly. "Dieser Wirkungsgrad ist etwa achtmal höher als der 0,2-prozentige Wirkungsgrad der globalen natürlichen Photosynthese, dem solarbetriebenen Prozess der Natur zur Umwandlung vonCO2 in energiereiche Moleküle", stellt Bian fest.
Bislang hat das Team die Biokatalysatoren der Mikroben mit einem stetigen Strom von Elektronen und CO2 versorgt, um ihr Wachstum aufrechtzuerhalten. "Der nächste Schritt für uns besteht darin, unser System unter realem Sonnenlicht zu testen und die Belastbarkeit der Biokatalysatoren unter einer intermittierenden erneuerbaren Energiequelle zu überwachen", sagt Saikaly.
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