08.12.2014 - National Institute for Materials Science (NIMS)

Bald Brennstoffe aus Kohlendioxid?

Effektives Katalysatorsystem für die photokatalytische Reduktion von CO2 zu Kohlenwasserstoffen

Kohlenwasserstoffe sind immer noch unsere bedeutendsten Energieträger, aber müssen sie zwangsläufig aus fossilen Quellen gewonnen werden? Warum nicht den Verbrennungsprozess umkehren und sie aus CO2 aufbauen? Dies ließe sich mit einem durch Sonnenenergie getrieben Verfahren realisieren, sobald geeignete Katalysatoren zur Verfügung stehen. Wissenschaftler aus Japan und China stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein neues, besonders effektives photokatalytisches System vor – vielleicht ein weiterer Schritt auf dem Weg zu CO2–neutralen Kraft- und Brennstoffen.

Verschiedene Katalysatoren für die photokatalytische Reduktion von CO2 wurden bereits entwickelt, z.B. auf der Basis von Strontiumtitanat (SrTiO3, STO) oder Titandioxid (TiO2). Angesichts der speziellen Energieniveaus dieser zwei Halbleitermaterialien schien den Forschern um Jinhua Ye eine Heterostruktur aus beiden Stoffen besonders erfolgversprechend. Die Wissenschaftler vom National Institute for Materials Science (Japan) und dem U-NIMS Joint Research Center der Tianjin University (China) stellten Anordnungen koaxial ausgerichteter STO/TiO2-Nanoröhrchen her. Die Röhrchen bestückten sie gleichmäßig mit Nanopartikeln aus einer Gold-Kupfer-Legierung als Co-Katalysator. Hydrazin-Hydrat (N2H4·H2O) dient als Wasserstoffquelle und sorgt für die notwendige reduzierende Atmosphäre. So gelang es den Forschern, CO2 sehr effizient in CO, Methan (CH4) und weitere Kohlenwasserstoffe umzusetzen.

Bestrahlung mit Sonnenlicht setzt Elektronen in den Halbleiter-Röhrchen frei. Dank der STO/TiO2-Heterostrukturen lässt sich die damit verbundene Ladungstrennung besser aufrecht erhalten als bei den reinen Substanzen. Die Elektronen werden auf die bimetallischen Edelmetall-Nanopartikel übertragen und von dort weiter auf das CO2, das entstehende CO und weitere gasförmige Zwischenprodukte. Die hohe Oberfläche der Röhrenbündel und die Porosität der Wände der Nanoröhrchen sorgen für eine hohe Gasdiffusion und sorgen für einen effektiven Transport der Ladungen. Aufgrund spezieller Legierungseffekte können die Gold-Kupfer-Nanopartikel den Rücktransport photogenerierter Elektronen in den Halbleiter wesentlich effektiver aufhalten als die Reinmetalle. Das Hydrazin-Hydrat liefert den benötigten Wasserstoff, sorgt für einen Elektronen-Nachschub am Katalysator und schafft eine reduzierende Atmosphäre, die die Metall-Nanopartikel über lange Zeit stabilisiert. Wird dagegen Wasser als Wasserstoff-Quelle genutzt, ist eine rasche Deaktivierung des katalytischen Systems zu verzeichnen. Das CO2 wird an den Nanopartikeln zunächst zu CO und dann weiter zu CH4 und anderen Kohlenwasserstoffen reduziert. Bei einem Verhältnis von Gold zu Kupfer von 3:1 in der Legierung ist der Anteil der entstehenden Kohlenwasserstoffe am höchsten.

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