„Künstliches Blatt“ verwandelt CO2 und Sonnenlicht in erneuerbaren Kraftstoff

Forscher haben kürzlich eine bahnbrechende Technologie entdeckt, die Sonnenlicht und CO2 in Kraftstoffe mit hoher Energiedichte wie Ethanol und Propanol umwandelt. Dies ist eine erneuerbare, saubere, schadstoffarme und umweltfreundliche Kraftstoffquelle.

Derzeit werden üblicherweise fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas verwendet. Allerdings wird bei der Verbrennung dieses Brennstoffs CO2 freigesetzt – die Hauptursache für Umweltverschmutzung und Klimawandel. Daher ist die Suche nach alternativen, umweltfreundlichen Rohstoffen dringender denn je.

Das Team der Universität Cambridge entwickelt seit Jahren nachhaltige, kohlenstoffneutrale Kraftstoffe, die von der Photosynthese der Pflanzen inspiriert sind und die es als „künstliches Blatt“ bezeichnet. Allerdings können diese künstlichen Blätter nur einfache Chemikalien produzieren, beispielsweise Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die zur Herstellung von Kraftstoffen, Arzneimitteln, Kunststoffen und Düngemitteln verwendet wird. Um die Technologie praxistauglicher zu machen, müsste das „künstliche Blatt“ in der Lage sein, in einem einzigen solarbetriebenen Schritt direkt komplexere Chemikalien zu produzieren.

Professor Erwin Reisner, Leiter des Forschungsteams, sagte, das Team habe nun einen Katalysator auf Basis von Kupfer und Palladium entwickelt. Der Katalysator wurde so optimiert, dass das „künstliche Blatt“ komplexere Chemikalien produzieren kann, indem es CO2, Wasser und Sonnenlicht in einem einzigen Schritt in die Mehrkohlenstoffbrennstoffe Ethanol und Propanol umwandelt. Dabei handelt es sich um Kraftstoffe mit hoher Energiedichte, die sich während der Verwendung leicht lagern oder transportieren lassen.

Künstliche Blätter, die an Metallstützstangen befestigt sind. Foto: Motiar Rahaman

Bioethanol gilt als sauberere Alternative zu Benzin, da es aus Pflanzen und nicht aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Viele Autos und Lastwagen auf den heutigen Straßen fahren mit Benzin, das bis zu 10 % Ethanol enthält (Kraftstoff E10). Bisherige Methoden der Bioethanolproduktion waren jedoch umstritten, insbesondere weil sie häufig landwirtschaftliche Flächen beanspruchen, die für den Anbau von Nahrungsmitteln genutzt werden könnten. Mit der neuen Methode des „künstlichen Blattes“, die ausschließlich Sonnenenergie nutzt, wurde dieses Problem vollständig gelöst.

Darüber hinaus kann das neue künstliche Blatt direkt sauberes Ethanol und Propanol produzieren, ohne dass ein Zwischenschritt – die Erzeugung von Synthesegas – erforderlich ist. Zuvor haben mehrere andere Forschungsgruppen ähnliche Chemikalien mithilfe von Elektrizität hergestellt. Dies ist jedoch das erste Mal, dass derart komplexe Chemikalien mithilfe künstlicher Blätter und ausschließlich mithilfe von Sonnenenergie hergestellt wurden.

Dr. Motiar Rahaman, ein Mitglied des Forschungsteams, sagte, das neue künstliche Blatt sei ein wichtiger Schritt zur Abkehr von einer von fossilen Brennstoffen abhängigen Wirtschaft. Diese Kraftstoffe verursachen keine CO2-Emissionen und sind vollständig erneuerbar.

Ein Forschungsteam der Universität Lund (Schweden) arbeitet gemeinsam an der Entwicklung einer „künstlichen Blatt“-Technologie aus Sonnenlicht und hat nach eigenen Angaben einen Weg gefunden, CO2-Emissionen durch die Verwendung poröser organischer Materialien, sogenannter Covalent Organic Frameworks (COF), in Kraftstoff umzuwandeln. Dieses Material absorbiert Sonnenlicht und nutzt dann die gewonnene Energie in Kombination mit einem Katalysator, um CO2 in Kraftstoff umzuwandeln.

„Der Umwandlungsprozess erfordert Elektronen. Wenn wir feststellen, dass ein Photon mit blauem Licht langlebige Elektronen mit hoher Energie erzeugt, laden wir das COF einfach mit Elektronen auf und führen eine Reaktion durch“, sagte Kaibo Zheng, Forscher an der Universität Lund.

Obwohl die ersten Forschungsergebnisse sehr vielversprechend sind, sind weitere Anstrengungen erforderlich, um diese Technik kommerziell und in großem Umfang anzuwenden. „Wir haben die ersten beiden Schritte mit Elektronen abgeschlossen“, sagt der Co-Autor der Studie und Chemiker Tönu Pullerits. „Es sind noch viele weitere Schritte zu gehen, bevor wir über eine CO2-Umwandlungsmaschine nachdenken können, aber wir haben einen sehr vielversprechenden Weg gesehen.“

In Vietnam wurde die Technologie des „künstlichen Blattes“ auch an der University of Science and Technology of Hanoi (USTH) erforscht. Seit 2015 arbeitet eine Gruppe von Forschern der USTH mit dem Labor für Chemie und Biologie der Metalle (Zentrum für Atomenergie und alternative Energien CEA – Grenoble, Frankreich) zusammen, um ein „künstliches Blatt“ zu erforschen und herzustellen.

„Künstliches Blatt“, erstellt von einem Forschungsteam der USTH. (Foto: usth.edu.vn)

Bisher ist dieses Gerät in der Lage, Wasserstoffkraftstoff (H2) aus Wasser und Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von 1,9 % zu erzeugen. Der H2-Kraftstoff kann dann gespeichert, transportiert und in Brennstoffzellen verwendet werden. Das Produkt dieses Kraftstoffnutzungsprozesses ist lediglich Wasser und belastet daher die Umwelt nicht.

Mai Anh