Fahren mit der Sonne: saubere, nutzbare Flüssigkraftstoffe aus Sonnenenergie

Künstliche Blätter können direkt sauberes Ethanol und Propanol produzieren

24.05.2023 - Großbritannien

Forscher haben eine solarbetriebene Technologie entwickelt, die Kohlendioxid und Wasser in flüssige Kraftstoffe umwandelt, die direkt in den Motor eines Autos als Drop-in-Kraftstoff gegeben werden können.

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Motiar Rahaman

Ein freistehendes künstliches Blatt, das an einem Metallstab befestigt ist. Die Fotoanodenseite (grünes Quadrat) ist auf dem Foto sichtbar.

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Ein Photoreaktor mit einem künstlichen Blatt, das unter Sonneneinstrahlung arbeitet.

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Die Forscher von der Universität Cambridge nutzten die Kraft der Photosynthese, um CO2, Wasser und Sonnenlicht in einem einzigen Schritt in Multikohlenstoffkraftstoffe - Ethanol und Propanol - umzuwandeln. Diese Kraftstoffe haben eine hohe Energiedichte und können leicht gelagert oder transportiert werden.

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind diese Solarkraftstoffe kohlenstofffrei und vollständig erneuerbar, und im Gegensatz zu den meisten Bioethanolsorten werden keine landwirtschaftlichen Flächen für die Nahrungsmittelproduktion benötigt.

Obwohl sich die Technologie noch im Labormaßstab befindet, sind die Forscher der Meinung, dass ihre "künstlichen Blätter" ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Abkehr von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft sind. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Bioethanol wird als saubere Alternative zu Benzin angepriesen, da es aus Pflanzen und nicht aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Die meisten Autos und Lastwagen auf den Straßen werden heute mit Benzin betrieben, das bis zu 10% Ethanol enthält (E10-Kraftstoff). Die Vereinigten Staaten sind der größte Bioethanolproduzent der Welt: Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums werden fast 45% des in den USA angebauten Mais für die Ethanolproduktion verwendet.

"Biokraftstoffe wie Ethanol sind eine umstrittene Technologie, nicht zuletzt, weil sie landwirtschaftliche Flächen beanspruchen, die stattdessen für den Anbau von Nahrungsmitteln genutzt werden könnten", so Professor Erwin Reisner, der die Forschung leitete.

Reisners Forschungsgruppe, die im Yusuf Hamied Department of Chemistry angesiedelt ist, entwickelt seit mehreren Jahren nachhaltige, kohlenstofffreie Kraftstoffe nach dem Vorbild der Photosynthese - dem Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln - unter Verwendung künstlicher Blätter.

Bisher konnten diese künstlichen Blätter nur einfache Chemikalien herstellen, wie Syngas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zur Herstellung von Kraftstoffen, Arzneimitteln, Kunststoffen und Düngemitteln verwendet wird. Um die Technologie praktikabler zu machen, müsste sie jedoch in der Lage sein, komplexere Chemikalien direkt in einem einzigen solarbetriebenen Schritt herzustellen.

Nun kann das künstliche Blatt direkt sauberes Ethanol und Propanol herstellen, ohne dass der Zwischenschritt der Erzeugung von Synthesegas erforderlich ist.

Die Forscher entwickelten einen Katalysator auf Kupfer- und Palladiumbasis. Der Katalysator wurde so optimiert, dass das künstliche Blatt komplexere Chemikalien herstellen kann, insbesondere die Multikohlenstoff-Alkohole Ethanol und n-Propanol. Beide Alkohole sind Brennstoffe mit hoher Energiedichte, die leicht transportiert und gelagert werden können.

Anderen Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, ähnliche Chemikalien mit Hilfe von elektrischer Energie zu produzieren, aber dies ist das erste Mal, dass solch komplexe Chemikalien mit einem künstlichen Blatt allein mit der Energie der Sonne hergestellt wurden.

"Die künstlichen Blätter mit Sonnenlicht zu bestrahlen und aus Kohlendioxid und Wasser flüssigen Treibstoff zu gewinnen, ist ein erstaunliches Stück Chemie", so Dr. Motiar Rahaman, Erstautor der Studie. "Wenn man normalerweise versucht, CO2 mit Hilfe eines künstlichen Blattes in ein anderes chemisches Produkt umzuwandeln, erhält man fast immer Kohlenmonoxid oder Synthesegas, aber hier ist es uns gelungen, einen praktischen flüssigen Kraftstoff nur mit der Kraft der Sonne zu erzeugen. Das ist ein aufregender Fortschritt, der uns ganz neue Wege in unserer Arbeit eröffnet.

Derzeit handelt es sich bei dem Gerät um einen Machbarkeitsnachweis, der nur eine bescheidene Effizienz aufweist. Die Forscher arbeiten an der Optimierung der Lichtabsorber, damit sie das Sonnenlicht besser absorbieren können, und an der Optimierung des Katalysators, damit er mehr Sonnenlicht in Kraftstoff umwandeln kann. Weitere Arbeiten werden auch erforderlich sein, um das Gerät skalierbar zu machen, damit es große Mengen an Kraftstoff produzieren kann.

"Wir haben gezeigt, wozu diese künstlichen Blätter fähig sind, auch wenn noch einiges zu tun ist", so Reisner. "Es ist wichtig zu zeigen, dass wir über die einfachsten Moleküle hinausgehen und Dinge herstellen können, die direkt nützlich sind, wenn wir von fossilen Brennstoffen wegkommen."

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