Hybrid-Photokatalysatoren wandeln CO2 in umweltfreundliche solare Brennstoffe um
Mit der künstlichen Photosynthese wird die Natur nachgeahmt. Sie wandelt mithilfe von Sonnenlicht CO2 und Wasser in energieabgebende und -freisetzende Verbindungen um. Doch anstelle wie bei grünen Pflanzen Zucker zu produzieren, erzeugt die künstliche Photosynthese Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Methanol (CH3OH) und Wasserstoff (H2), an denen Interesse in ihrer Eigenschaft als „grüne“ Brennstoffe besteht. Das durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierte Projekt HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis) ging an den Start, um eine neue Generation hybrider organisch-anorganischer Materialien und Vorrichtungen zu entwickeln, welche die für die künstliche Photosynthese erforderlichen chemischen Umwandlungen realisieren können. Hier könnte sich eine Tür zur Entwicklung umweltfreundlicher Alternativen zu elektrochemischen Speicherelektroden für Batterien öffnen. Das Team erkundete die Photo(elektro)katalyse in verschiedenen Maßstäben, beginnend bei Katalysatoren im Nanomaßstab bis hin zur Reaktor-Pilotanlagen, und entwickelte neuartige photoaktive Hybridmaterialien. „Unsere Ergebnisse, insbesondere die Steigerung der Ausbeute, verkörpern die neuesten Erkenntnisse auf dem Gebiet der CO2-Umwandlung und stellen einen Meilenstein für diesen Forschungsbereich dar“, betont Hauptforscher Victor A. de la Peña O‘Shea vom IMDEA Energy Institute. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse in vielen hochkarätigen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die im Rahmen des Projekts entwickelte neue Familie organischer Halbleiter, die aus konjugierten porösen Polymeren bestehen, wurde bereits für die Produktion von solarem Brennstoff patentiert.
Hybridmaterialien ganz groß im Kommen
Hauptziel von HyMAP war die Entwicklung multifunktionaler Systeme, die noch besser Licht aus dem gesamten Sonnenspektrum ausnutzen können. Zu diesem Zweck erforschte das Team hybride Photokatalysatoren, wobei es mehrere Materialien erkundete und verschiedene Ansätze verfolgte. Folgende Strategien kamen zur Anwendung: 1.) Bandlücken-Engineering bei anorganischen und 2.) organischen Halbleitern sowie 3.) bei deren zugehörigen Heteroübergängen; 4.) metallorganische Gerüstverbindungen und 5.) Hochkonversion. Mit den ersten vier Optionen kann neben den sichtbaren Bereichen des Lichtspektrums auch ultraviolettes Licht geerntet werden, während Hochkonversion die Ausnutzung der Infrarotwellenlängen verbessert. Entscheidend dabei ist, dass anorganische und organische Halbleiter Ladungserzeugung und -transfer steigern und somit die photokatalytische Ausbeute erhöhen. „Diese Kombination verschiedener Materialien, von denen jedes auf einzelne Funktionen der photokatalytischen Reaktionen, hauptsächlich auf Lichtabsorption, Ladungstrennung und Katalyse spezialisiert ist, verbesserte den Gesamtwirkungsgrad“, berichtet de la Peña O‘Shea. Die Reaktionsmechanismen dieser Materialien wurden im Labor mittels einer Vielzahl hochmoderner In-situ-Verfahren wie der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bei nahezu Umgebungsdruck, Röntgenbeugung und Synchrotronstrahlung beschrieben.
Solarreaktor bringt fantastische Ergebnisse
Da die Untersuchungen des Teams ergaben, dass die aus einem konjugierten porösen Polymer hergestellten hybriden organisch/anorganischen Halbleiter-Heteroübergänge besonders leistungsfähig sind, wurde ein Gasphasen-Solarreaktor konzipiert. Er bestand aus einem Solarreflektor, einem zusammengesetzten Parabolkollektor, der die gesamte Sonnenstrahlung auf den Reaktor umlenkt, und einem röhrenförmigen Ringreaktor aus Borosilikatglas, das widerstandsfähiger gegenüber hohen Temperaturen ist. Es konnte mit Erfolg demonstriert werden, dass dieser Reaktor-Prototyp sowohl aus Wasser und Biomasse als auch aus anderen Brennstoffen oder Chemikalien wie etwa CO, CH4 und CH3OH und unter Einsatz von CO2 als Reagenz solaren Wasserstoff erzeugen kann. „Diese für die Produktion solaren Brennstoffs ausgezeichnet klingenden Ergebnisse flossen bereits in eine Pilotanlage ein, die nun unser Wissen erweitert und mit der wir die Prozesse fein abstimmen können, bevor wir die Marktchancen prüfen“, sagt de la Peña O‘Shea. „Wir müssen den Einsatz dieser Hybridmaterialien auf andere Reaktionen ausweiten, über die Photo- bis hin zur Photo(elektro)katalyse, um komplexere Brennstoffe und Chemikalien wie Ammoniak, Ethylen und Dimethylether zu erzielen.“
Neue Herausforderungen durch Maßstabsvergrößerung meistern
Das HyMAP-Team hat bereits das ERC-finanzierte Proof-of-Concept-Begleitprojekt NanoCPPs gestartet, um einen Konzeptnachweis zur Maßstabsvergrößerung seiner nanostrukturierten konjugierten porösen Polymere zu erbringen. „Die Nanostruktur dieses Polymers bedeutet verbesserte Eigenschaften und öffnet die Tür zu einer höheren Leistungsfähigkeit“, fügt er hinzu. Als Herausforderung bleibt bestehen, die elektronischen Eigenschaften dieser Systeme tatsächlich so zu optimieren, dass die vorgeschlagenen umweltfreundlichen Alternativen zu den heute üblichen elektrochemischen Speicherelektroden für Batterien wirklich vorangebracht und realisiert werden können.
Schlüsselbegriffe
HyMAP, künstliche Photosynthese, Wasserstoff, solare Brennstoffe, Nano, photokatalytisch, organisch, anorganisch, Halbleiter, Hybridmaterialien, grün, umweltfreundlich
