Erfolgreiche Kohlendioxid-Umwandlung

Fotokatalyse erzeugt Methanol aus CO₂

Mittels Fotokatalyse konnte eine Forschungsgruppe an der University of Nottingham’s School of Chemistry, der University of Birmingham, der University of Queensland und der Universität Ulm Methanol herstellen, indem sie einzelne Kupferatome, die auf einem lichtaktivierten Material abgeschieden sind, mit Sonnenlicht bestrahlten. Noch sind übliche Methoden ineffizient. Mit dem neuen Verfahren soll es sich ändern. Denn diese Entdeckung ebnet den Weg für die Herstellung neuer grüner Kraftstoffe. Die Kupferatome sind in die nanokristalline Struktur eingebettet, so dass die Elektronen vom Kohlenstoffnitrid zum CO₂ wandern können, ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von Methanol aus CO₂ unter dem Einfluss von Sonneneinstrahlung. Die Forschungsergebnisse wurden am 26.03.2024 open access im Sustainable Energy & Fuels Journal der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.

Bei der Photokatalyse wird ein Halbleitermaterial mit Licht bestrahlt, das Elektronen anregt, die dann durch das Material wandern, um mit CO₂ und Wasser zu reagieren, was zu einer Reihe nützlicher Produkte führt, darunter Methanol, grüner Kraftstoff. Trotz der jüngsten Fortschritte leidet dieses Verfahren (noch) unter einem Mangel an Effizienz und Selektivität.

Kohlendioxid ist der größte Verursacher der globalen Erwärmung. Obwohl es möglich ist, CO₂ in nützliche Produkte umzuwandeln, sind die herkömmlichen thermischen Verfahren auf Wasserstoff angewiesen, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Es ist wichtig, alternative Methoden auf der Grundlage von Photo- und Elektrokatalyse zu entwickeln, die sich die nachhaltige Sonnenenergie und den Reichtum des allgegenwärtigen Wassers zunutze machen.
In der Photokatalyse wird eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet. Es ist wichtig, dass der Photokatalysator Licht absorbiert und Ladungsträger mit hoher Effizienz trennt. In unserem Ansatz kontrollieren wir das Material auf der Nanoskala. Wir haben eine neue Form von Kohlenstoffnitrid mit kristallinen Domänen im Nanomaßstab entwickelt, die eine effiziente Interaktion mit Licht und eine ausreichende Ladungstrennung ermöglichen.

Die Forscher entwickelten ein Verfahren zur Erhitzung von Kohlenstoffnitrid auf den erforderlichen Kristallinitätsgrad, um die funktionellen Eigenschaften dieses Materials für die Photokatalyse zu maximieren. Mit Hilfe des Magnetron-Sputterns scheiden sie atomares Kupfer in einem lösungsmittelfreien Prozess ab, was einen engen Kontakt zwischen den Halbleiter- und Metallatomen ermöglicht.

Tara LeMercier, eine Doktorandin, die die experimentellen Arbeiten an der University of Nottingham, School of Chemistry, durchführte, sagte: „Wir haben den durch Licht erzeugten Strom gemessen und ihn als Kriterium für die Beurteilung der Qualität des Katalysators verwendet. Auch ohne Kupfer ist die neue Form des Kohlenstoffnitrids 44mal aktiver als herkömmliches Kohlenstoffnitrid. Zu unserer Überraschung vervierfachte sich diese Effizienz jedoch durch die Zugabe von nur 1 mg Kupfer pro 1 g Kohlenstoffnitrid. Vor allem aber änderte sich die Selektivität von Methan zu Methanol.

Die Valorisierung von Kohlendioxid ist der Schlüssel zum Erreichen des Netto-Null-Ziels des Vereinigten Königreichs. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Nachhaltigkeit unserer Katalysatormaterialien für diese wichtige Reaktion sicherzustellen. Ein großer Vorteil des neuen Katalysators ist, dass er aus nachhaltigen Elementen – Kohlenstoff, Stickstoff und Kupfer – besteht, die auf unserem Planeten reichlich vorhanden sind. Diese Erfindung ist ein bedeutender Schritt hin zu einem tieferen Verständnis der photokatalytischen Materialien für die CO₂-Umwandlung. Sie eröffnet einen Weg zur Schaffung hochselektiver und abstimmbarer Katalysatoren, bei denen das gewünschte Produkt durch Steuerung des Katalysators auf der Nanoskala eingestellt werden kann.