26.08.2020 - University of Cambridge

Drahtloses Gerät macht aus Sonnenlicht, CO₂ und Wasser sauberen Kraftstoff

Bedeutender Schritt auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese

Die Forscher haben ein eigenständiges Gerät entwickelt, das Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in einen kohlenstoffneutralen Brennstoff umwandelt, ohne dass zusätzliche Komponenten oder Elektrizität benötigt werden.

Das von einem Team der Universität Cambridge entwickelte Gerät ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese - einem Prozess, der die Fähigkeit von Pflanzen nachahmt, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln. Es basiert auf einer fortschrittlichen "Photosheet"-Technologie und wandelt Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Ameisensäure um - einen speicherbaren Brennstoff, der entweder direkt verwendet oder in Wasserstoff umgewandelt werden kann.

Die Ergebnisse, über die in der Zeitschrift Nature Energy berichtet wurde, stellen eine neue Methode für die Umwandlung von Kohlendioxid in saubere Brennstoffe dar. Das drahtlose Gerät könnte vergrößert und auf Energie-"Farmen", ähnlich wie Solarparks, eingesetzt werden, um mit Hilfe von Sonnenlicht und Wasser saubere Brennstoffe zu produzieren.

Die Gewinnung von Solarenergie zur Umwandlung von Kohlendioxid in Treibstoff ist ein vielversprechender Weg zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und zur Abkehr von fossilen Brennstoffen. Es ist jedoch eine Herausforderung, diese sauberen Brennstoffe ohne unerwünschte Nebenprodukte herzustellen.

"Es war schwierig, eine künstliche Photosynthese mit einem hohen Grad an Selektivität zu erreichen, so dass man so viel Sonnenlicht wie möglich in den gewünschten Brennstoff umwandelt und nicht mit einer Menge Abfall zurückbleibt", sagte der Erstautor Dr. Qian Wang vom Cambridge Department of Chemistry.

"Darüber hinaus kann die Lagerung von gasförmigen Brennstoffen und die Trennung von Nebenprodukten kompliziert sein - wir wollen zu dem Punkt kommen, an dem wir sauber einen flüssigen Brennstoff herstellen können, der auch leicht gelagert und transportiert werden kann", sagte Professor Erwin Reisner, der leitende Autor des Papiers.

Im Jahr 2019 entwickelten Forscher aus Reisners Gruppe einen Solarreaktor auf der Grundlage eines "künstlichen Blattes", der auch Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser zur Herstellung eines Brennstoffs, des so genannten Synthesegases, nutzt. Die neue Technologie sieht aus und verhält sich ganz ähnlich wie das künstliche Blatt, funktioniert aber anders und produziert Ameisensäure.

Während das künstliche Blatt Komponenten aus Solarzellen verwendete, benötigt das neue Gerät diese Komponenten nicht und stützt sich ausschließlich auf Photokatalysatoren, die auf einer Folie eingebettet sind, um eine so genannte Photokatalysatorfolie herzustellen. Die Folien bestehen aus Halbleiterpulvern, die in großen Mengen einfach und kostengünstig hergestellt werden können.

Darüber hinaus ist diese neue Technologie robuster und produziert einen sauberen Brennstoff, der leichter zu lagern ist und Potenzial für die Herstellung von Brennstoffprodukten in großem Maßstab aufweist. Die Testeinheit ist 20 Quadratzentimeter groß, aber die Forscher sagen, dass es relativ einfach sein dürfte, sie auf mehrere Quadratmeter zu skalieren. Darüber hinaus kann die Ameisensäure in Lösung akkumuliert und chemisch in verschiedene Arten von Brennstoff umgewandelt werden.

"Wir waren überrascht, wie gut es in Bezug auf seine Selektivität funktionierte - es produzierte fast keine Nebenprodukte", sagte Wang. "Manchmal funktionieren die Dinge nicht so gut, wie man erwartet hat, aber dies war ein seltener Fall, in dem es tatsächlich besser funktionierte.

Der Katalysator zur Umwandlung von Kohlendioxid auf Kobaltbasis ist leicht herzustellen und relativ stabil. Obwohl diese Technologie einfacher zu skalieren sein wird als das künstliche Blatt, müssen die Wirkungsgrade noch verbessert werden, bevor ein kommerzieller Einsatz in Betracht gezogen werden kann. Die Forscher experimentieren mit einer Reihe von verschiedenen Katalysatoren, um sowohl die Stabilität als auch die Effizienz zu verbessern.

Die aktuellen Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Kazunari Domen von der Universität Tokio, einem Koautor der Studie, erzielt.

Die Forscher arbeiten nun daran, das System weiter zu optimieren und die Effizienz zu verbessern. Darüber hinaus erforschen sie weitere Katalysatoren für den Einsatz auf dem Gerät, um verschiedene solare Brennstoffe zu erhalten.

"Wir hoffen, dass diese Technologie den Weg zu einer nachhaltigen und praktischen Produktion von Solarbrennstoffen ebnen wird", sagte Reisner.

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