05.03.2021 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Heiße Elektronen schicken CO2 zurück in die Zukunft

Katalysator-Nanopartikel fangen einen noch nie dagewesenen Bereich von Lichtwellenlängen ein, um Kohlendioxid in Methan umzuwandeln.

Atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) ist ein wesentlicher Treiber der globalen Erwärmung, aber dieses Gas könnte auch als wertvolle Ressource dienen. Forscher an der KAUST haben einen effizienten Katalysator entwickelt, der Lichtenergie nutzt, um CO2 und Wasserstoff in Methan (CH4) umzuwandeln. Dies wirkt der Freisetzung von CO2 entgegen, wenn Methan als Brennstoff verbrannt wird.

Viele Forscher auf der ganzen Welt suchen nach Wegen, CO2 in nützliche kohlenstoffbasierte Chemikalien umzuwandeln, aber ihre Bemühungen wurden bisher durch niedrige Wirkungsgrade begrenzt, die das Potenzial für eine großtechnische Anwendung einschränken.

"Unser Ansatz basiert auf der synergetischen Kombination von Licht und Wärme, die als photothermischer Effekt bekannt ist", sagt Postdoc Diego Mateo. Er erklärt, dass die Wärme durch die Wechselwirkung von Licht mit dem Katalysator erzeugt wird, so dass die beiden Energieformen aus absorbiertem Licht stammen.

Bei einigen anderen industriellen Ansätzen sind Heizungen aus externen Quellen erforderlich, um Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius zu erreichen. Die KAUST-Forschung zeigt, dass die Reaktion allein durch die photothermische Wirkung des Tageslichts erreicht werden kann.

Der Katalysator ist aus Nickel-Nanopartikeln auf einer Schicht aus Bariumtitanat aufgebaut. Er fängt das Licht auf eine Weise ein, die Elektronen in hochenergetische Zustände, sogenannte "heiße Elektronen", kickt. Diese Elektronen leiten dann die chemische Reaktion ein, die CO2 wieder in Methan verwandelt. Unter optimalen Bedingungen erzeugt der Katalysator Methan mit nahezu 100 Prozent Selektivität und mit beeindruckender Effizienz.

Ein großer Vorteil ist die große Bandbreite des nutzbaren Lichtspektrums, das alle sichtbaren Wellenlängen umfasst, zusätzlich zu den ultravioletten Strahlen, auf die viele Katalysatoren beschränkt sind. Dies ist von enormer Bedeutung, da ultraviolettes Licht nur 4 bis 5 Prozent der im Sonnenlicht verfügbaren Energie ausmacht.

"Wir sind der festen Überzeugung, dass unsere Strategie in Kombination mit anderen bestehenden CO2-Abscheidungstechniken ein nachhaltiger Weg sein könnte, dieses schädliche Treibhausgas in wertvollen Kraftstoff umzuwandeln", sagt Mateo.

Alle Brennstoffe, die aus CO2 hergestellt werden, würden dieses Gas immer noch freisetzen, wenn sie verbrannt werden, aber das CO2 könnte wiederholt aus der Atmosphäre in den Brennstoff und wieder zurück recycelt werden, anstatt ständig durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt zu werden.

Die Forscher wollen auch die Anwendungsmöglichkeiten ihres Ansatzes erweitern. "Eine Strategie für unsere zukünftige Forschung ist es, in Richtung der Produktion anderer wertvoller Chemikalien zu gehen, wie zum Beispiel Methanol", sagt Jorge Gascon, der das Forschungsteam leitete. Die Forscher sehen auch Potenzial für die Nutzung von Lichtenergie für die Produktion von Chemikalien, die keinen Kohlenstoff enthalten, wie z. B. Ammoniak (NH3).

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