Solarzelle verwandelt CO2 in Treibstoff

Versuchsaufbau, bei dem das "künstliche Blatt" von einer Lichtquelle bestrahlt wird. Credit: University of Illinois at Chicago/Jenny Fontaine

Die Photosynthese ist das große Vorbild: Pflanzen verwandeln Kohlendioxid durch Sonnenlicht in chemische Energieträger. Dem Ziel, dieses Konzept technisch effektiv umzusetzen, sind Forscher nun einen Schritt näher gekommen: Sie haben eine Art künstliches Blatt entwickelt, das durch Sonnenlicht Kohlendioxid in die energiereichen Substanzen Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwandeln kann. Das zum Patent angemeldete Konzept erscheint somit als ein Hoffungsträger bei der Verringerung der Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid in der Erdatmosphäre.

Jede Kalorie, die wir in unserem Körper verbrennen, wurde letztlich einmal von einer Pflanze durch die Photosynthese erzeugt. Über das chemische Grundprinzip der Reduktion verwandeln sie Kohlendioxid in energiereiche Kohlenstoffverbindungen wie Zucker. Um dieses System künstlich umzusetzen, sind Katalysatoren nötig, die eine Reduktion des Kohlendioxids in einem technischen System vermitteln können. Dabei handelte es sich bislang um das große Problem: Die bisher eingesetzten Katalysatoren waren ineffizient und teure Edelmetalle wie Silber sind nötig. Das Team um Amin Salehi-Khojin von der University of Illinois in Chicago hat sich deshalb erneut der Suche nach alternativen Konzepten gewidmet. "Was wir brauchten, war eine neue Familie von Chemikalien mit außergewöhnlichen Eigenschaften", sagt Salehi-Khojin.

Ein innovative Katalysator bringt's

Er und seine Kollegen konzentrierten sich bei ihrer Suche nach neuen Katalysatoren auf nano-strukturierte Übergangsmetall-Chalkogenide (Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs). Dabei handelt es sich um Verbindungen von Elementen aus der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems wie Sauerstoff, Schwefel, Selen oder Tellur mit Metallen. Bei ihren Tests stellte sich nano-strukturiertes Wolframdiselenid als bester Katalysator heraus. Er übertrifft die Effektivität von Edelmetallkatalysatoren bei weitem und ist zudem deutlich billiger, berichten die Forscher. Sie kombinierten diesen Katalysator mit einer speziellen Flüssigkeit in einer elektrochemischen Zelle. Wie sie erklären, schützt diese Substanz das Wolframdiselenid vor den aggressiven Effekten der Reduktionsreaktion.

Mit diesen innovativen Komponenten entwickelten sie dann ihr künstliches Blatt: Zwei Photovoltaik-Solarzellen sorgen bei dem Konzept für elektrische Energie. Auf der Kathoden-Seite befindet sich das Wolframdiselenid in der elektrolytischen Flüssigkeit. Durch eine Membran getrennt liegt auf der Anoden-Seite des Systems wiederum Cobaltoxid in einem Kaliumphosphat-Elektrolyten vor. Wenn nun Licht von natürlicherweise vorkommender Intensität das künstliche Blatt bestrahlt, kommt der Prozess in Gang: Wasserstoff und Kohlenmonoxid sprudeln von der Kathode, während freier Sauerstoff und Wasserstoffionen an der Anode erzeugt werden. "Die Wasserstoffionen diffundieren durch die Membran zur Kathodenseite, wo sie an der Kohlendioxidreduktionsreaktion teilnehmen", erklärt Asadi.

Treibhausgas soll zu Treibstoff werden

Das entstehende Wasserstoff- und Kohlenmonoxyd-Gas kann dann entweder gleich verbrannt oder aber in Treibstoffe umgewandelt werden. "Statt Energie auf nicht nachhaltige Weise durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu Treibhausgas zu machen, können wir mit diesem System den Prozess umkehren und Kohlenstoff aus der Atmosphäre durch Sonnenlicht in Kraftstoff verwandeln", resümiert Salehi-Khojin.

Er und seine Kollegen tüfteln nun weiter an der Optimierung ihres vielversprechenden Systems. Ihnen zufolge könnte es möglicherweise nicht nur in großen Solarfarmen zum Einsatz kommen, sondern auch in kleineren Einheiten. Sie sehen sogar Potenzial für die Raumfahrt: Auf dem Mars könnte man mit dem Konzept möglicherweise Energie gewinnen, denn die Atmosphäre des Planeten besteht größtenteils aus Kohlendioxid. Man darf also gespannt sein, was sich aus dem Konzept in Zukunft entwickeln wird.

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