Treibstoff aus Treibhausgas

Das Katalysatormolekül aus Graphen und Rhenium absorbiert Sonnenlicht und wandelt wiederholt CO2 in CO um. (Bild: B. Noffke, R. Schaugaard)

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Motoren oder Kraftwerken setzt Unmengen an CO2 frei. Längst ist die Anreicherung des Gases in der Atmosphäre als Haupt­schuldiger für die Klima­erwärmung identi­fiziert. Indem sie CO2 mit Hilfe von Sonnen­licht in Zucker umwandeln und so Energie speichern, zeigen uns Bäume und andere Pflanzen einen möglichen Ausweg aus der Misere auf. Aufgrund der niedrigen Reaktivität des Treibhaus­gases gestaltet sich die technische Umsetzung jedoch schwierig: Es fehlt an geeigneten Kata­lysatoren. Forscher der Indiana University in den USA haben nun ein Molekül synthe­tisiert, das nicht nur aussieht wie ein Blatt, sondern auch Ähnliches leistet. Es besteht aus einem winzigen Stückchen Graphen in Kombination mit einer Metall­verbindung. In einer mit CO2 ange­reicherten Lösung kann es Sonnen­licht absor­bieren und mit der gewonnenen Energie Kohlen­monoxid erzeugen.

Kohlen­monoxid ist nicht nur ein wichtiger Rohstoff für die Industrie, es kann auch als klima­neutraler Energie­speicher dienen, indem man es etwa in Treib­stoffe wie Methanol umwandelt. Wird CO2 aus der Atmo­sphäre entnommen, um CO zu erzeugen, so gelangt bei einer späteren Verbrennung nur so viel Kohlen­stoff zurück in die Luft, wie vorher entnommen wurde. Es wird im Grunde also nur die Sonnen­energie wieder freigesetzt, die benutzt wurde, um es herzustellen. Eine der wich­tigsten Eigen­schaften für einen geeigneten Kata­lysator ist ein möglichst geringes Über­potenzial. Das heißt, er soll für die Auf­spaltung von CO2 in CO nur gering­fügig mehr Energie benötigen, als bei eine an­schließenden Oxidation wieder frei wird.

Hier hat die Forscher­gruppe um Liang-Shi Li nun eigenen Angaben zufolge einen neuen Rekord zu verbuchen: Mit einem Wert von -0,48 V vs NHE, einer Einheit, die das gemessene Potenzial in Relation zu einer Standard­elektrode setzt, um Ergebnisse besser vergleichen zu können, haben sie das bisher geringste Über­potenzial für einen molekularen Katalysator realisiert. Wie Simu­lationen auf der Basis der Dichte­funktional­theorie zeigen, dürften Deloka­lisierungs­effekte im Graphen für diesen Effekt verant­wortlich sein. Darüber hinaus dient das Graphen quasi als Sonnen­segel, das große Mengen an Sonnenlicht absorbiert und die Energie an die Metall­verbindung weiterleitet. Dort bindet ein Rhenium­atom wiederholt CO2, wandelt es in Kohlen­monoxid um und gibt es als Gas an die Umgebung ab. Der über­schüssige Sauerstoff verbleibt dagegen in der Lösung.

Als Bindeglied zwischen Graphen und dem Rhenium­atom dient Bipyridin. Bipy­ridin-Metall-Komplexe werden schon lange zur CO2-Reduktion mit Sonnen­licht untersucht, haben aber den Nachteil, dass sie nur einen kleinen Teil des Lichts, hauptsächlich im UV-Bereich absorbieren. Graphen dagegen absorbiert das Licht auf einer wesent­lich größeren Fläche und bis zu Wellen­längen von 600 Nanometern. „Unsere Moleküle absorbiert genug Licht um die Reaktion ohne Einsatz zusätzlichen Foto­sensibili­satoren anzutreiben“, erklärt Li. „Das vereinfacht das Design zukünftiger Kata­lysatoren erheblich.“

Um die Leistungs­fähigkeit des neuen Kata­lysators zu demonstrieren, haben Li und seine Kollegen die Moleküle in einer mit CO2 gesättigten Lösung mit einer 100-Watt-Wolframlampe bestrahlt. Eine an­schließende Gaschroma­tografie zeigte CO als einziges Produkt. Weiters konnten sie feststellen, dass jedes Katalysator­molekül im Schnitt 48 CO2-Moleküle aufspaltet, bevor es inaktiv wird. In Zukunft wollen die Forscher daran arbeiten, die Moleküle in eine feste Form zu bringen. „So könnte man den Kata­lysator von der Reaktion trennen und er wäre in der Praxis einfacher einsetzbar“, meint Li. „Außerdem könnte es, indem es einige uner­wünschte Neben­reaktionen eliminiert, die Lebens­dauer der Moleküle verlängern.“

Natürlich ist Lis Gruppe nicht die Einzige, die sich mit der Gewinnung von Treibstoff aus Kohlen­dioxid befasst. Bereit 2016 haben Forscher aus Illinois ein „künst­liches Blatt“ vorgestellt, das aus Sonnen­licht, Wasser und CO2 Kohlen­monoxid erzeugt. Auch hier diente ein Nanomaterial als Katalysator: zweidimen­sionale Nanoflakes aus einer Wolfram-Selen-Verbindung mit reaktiven Rändern. Aller­dings handelte es sich dabei um einen vergleichs­weise komplexen Aufbau, bestehend aus einer zwei­geteilten elektro­chemischen Zelle mit drei Elektroden. Außerdem haben die Katalysator­moleküle das Sonnenl­icht nicht selbst absorbiert – das übernahmen zwei herkömmliche Solar­zellen auf Silizium­basis. Dennoch konnte das System ohne äußere Energie­versorgung CO und Wasser­stoff erzeugen.

Einen völlig anderen, thermo­chemischen Zugang haben kürzlich Forscher des ETH Zürich vorgestellt. Sie haben einen mit einem Redox­material ausge­kleideten Solar­reaktor entwickelt, der mit Hilfe von 3000fach konzen­triertem Sonnen­licht CO2 aufspaltet. Dafür wird in einem perio­dischen, zwei­stufigen Prozess das Redox­material zunächst auf 1500 °C erhitzt um Sauerstoff zu erzeugen. An­schließend reoxidiert CO2 das Material bei 900 °C und es entsteht Kohlen­monoxid. Die Effizienz, mit der dabei Sonnen­licht in Treibstoff umgewandelt wird, beträgt 5,25 Prozent – den Forschern zufolge ein neuer Rekord für die thermo­chemische Spaltung von CO2. Derartige Reaktoren könnten in Zukunft etwa bereits bestehende Infra­strukturen von Sonnen­wärmekraft­werken nutzen. Installiert in den Solar­türmen könnten sie dort, anstatt Wasser für die Turbinen zu verdampfen, Kohlen­dioxid in CO umwandeln. (Quelle: pro-physik.de, T. Brandstetter)

Referenz: X. Qiao et al.: Well-Defined Nanographene–Rhenium Complex as an Efficient Electrocatalyst and Photocatalyst for Selective CO2 Reduction, J. Am. Chem. Soc., online 8. März 2017; DOI: 10.1021/jacs.6b12530

Link: Materials Chemistry, Dept. of Chemistry, Indiana University, Bloomington

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