Heiße Elektronen schicken CO2 “zurück” in die Zukunft

Direkte CO2-Hydrierung: Katalysator-Nanopartikel wandeln Kohlendioxid mit Licht in Methan um

Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben einen effizienten Katalysator entwickelt, der mittels Lichtenergie Kohlendioxid und Wasserstoff in Methan umwandelt, was der CO2-Emission bei der Verbrennung von Methan entgegenwirkt. Die Forschungsergebnisse haben sie in Advanced Functional Materials publiziert – Titel: “Efficient visible-light driven photothermal conversion of CO2 to methane by nickel nanoparticles supported on barium titanate”.

HKW Reuter West – im Jahr 2,5 Mio. t CO2, 2.000 t NOx, 57 t Feinstaub, 32 kg Arsenverbindungen, 13,6 kg Hg (lt. UBA) – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Atmosphärisches CO2 ist zwar wesentlicher Treiber der Erderwärmung, aber das Gas könnte auch als wertvolle Ressource dienen. Viele Forscher auf der ganzen Welt suchen nach Wegen, CO2 in nützliche kohlenstoffbasierte Chemikalien umzuwandeln, aber ihre Bemühungen waren bisher durch niedrige Wirkungsgrade begrenzt, die das Potenzial für großtechnische Anwendungen einschränkten.

“Unser Ansatz basiert auf der synergetischen Kombination von Licht und Wärme, die als photothermischer Effekt bekannt ist”, sagt Postdoc Diego Mateo. Er erklärt, dass die Wärme durch synergetische Wechselwirkung von Licht und Wärme mit dem Katalysator erzeugt wird, was als photothermischer Effekt bekannt ist. Beide Energieformen stammen also aus absorbiertem Licht. Einige andere industrielle Ansätze erfordern die Beheizung durch externe Quellen, um Temperaturen bis 500 °C zu erreichen. Laut den Ergebnissen der KAUST-Forschung kann die Reaktion allein durch den photothermischen Effekt des Tageslichts erreicht werden.

Der Katalysator ist aus Nickel-Nanopartikeln auf einer Schicht aus Bariumtitanat aufgebaut. Er fängt das Licht auf eine Weise ein, die Elektronen in hochenergetische Zustände, so genannte “heiße Elektronen”, befördert. Diese Elektronen leiten dann die chemische Reaktion ein, die CO2 in Methan verwandelt. Unter optimalen Bedingungen erzeugt der Katalysator mit nahezu 100 Prozent Selektivität und beeindruckender Effizienz Methan.

Ein wichtiger Vorteil ist die große Bandbreite des nutzbaren Lichtspektrums, das alle sichtbaren Wellenlängen umfasst, zusätzlich zu den ultravioletten Strahlen, auf die viele Katalysatoren beschränkt sind. Dies ist von enormer Bedeutung, da ultraviolettes Licht nur 4 bis 5 Prozent der im Sonnenlicht verfügbaren Energie ausmacht. “Wir glauben fest daran, dass unsere Strategie in Kombination mit anderen bestehenden CO2-Abscheidungstechniken ein nachhaltiger Weg sein könnte, das Treibhausgas in wertvolle Kraftstoffe umzuwandeln”, sagt Mateo. Alle Brennstoffe, die aus CO2 hergestellt werden, würden zwar dieses Gas immer noch freisetzen, wenn sie verbrannt werden, aber das CO2 könnte wiederholt aus der Atmosphäre in den Brennstoff recycelt werden, anstatt ständig durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt zu werden.

Die Forscher wollen auch die Anwendungsmöglichkeiten ihres Ansatzes erweitern. “Eine Strategie für unsere zukünftige Forschung ist es, in Richtung der Produktion anderer wertvoller Chemikalien zu gehen, wie zum Beispiel Methanol”, sagt Jorge Gascon, der das Forschungsteam leitete. Die Forscher sehen auch das Potenzial, Lichtenergie für die Produktion von Chemikalien zu nutzen, die keinen Kohlenstoff enthalten, wie z. B. Ammoniak (NH3).

->Quelle: discovery.kaust.edu.sa/hot-electrons-send-co2-back-to-the-future

Originalveröffentlichung: Mateo, D., Morlanes, N., Maity, P., Shterk, G., Mohammed, O.F. & Gascon, J.: Efficient visible-light driven photothermal conversion of CO2 to methane by nickel nanoparticles supported on barium titanate, in: Advanced Functional Materials 2008244 (2020)doi.org/10.1002/adfm.202008244