Nanoflocken produzieren Treibstoff aus Kohlendioxid

Pflanzen, Algen und Bakterien wandeln das Treibhausgas Kohlendioxid mit der Energie des Sonnenlichts über die Photosynthese zu energiereichen Kohlenhydraten um. Weltweit wollen Forschergruppen dieses Kunststück mit der künstlichen Photosynthese nachahmen, um aus CO₂ und Sonnenlicht nutzbare Treibstoffe zu gewinnen. Dümpelten die Wirkungsgrade bisher bei mageren ein bis zwei Prozent, erreichte eine Forschergruppe in den USA nun doppelt so hohe Werte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, gelang dieser Sprung mit winzigen Nanoflocken aus Wolframdiselenid und ionischen Flüssigkeiten.

„Wir können nun Kohlendioxid aus der Atmosphäre recyceln und mit Sonnenlicht Treibstoffe erzeugen“, sagt Amin Salehi-Khojin von der University of Illinois in Chicago. Mit seinen Kollegen testete er dazu systematisch die Materialklasse der sogenannten Chalkogenide. Diese Verbindungen aus Metallen und Chalkogen-Elementen wie Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur bieten gute katalytische Eigenschaften, mit denen die Forscher sogar Edelmetalle wie Platin oder Palladium überflügeln können. Erste Ergebnisse zeigten, dass ausgewählte Chalkogenide tatsächlich zu tausendfach schnelleren Katalyse-Reaktionen führten als beispielsweise Platin.

Um eine möglichst große chemische Aktivität der Chalkogenide zu erhalten, nutzten Salehi-Khojin und Kollegen diese Substanzen in Form von winzigen Nanoflocken mit großer Oberfläche. Aus der Reihenuntersuchung stach bald die Verbindung Wolframdiselenid heraus. Nanoflocken aus diesem Material setzten die Forscher in eine elektrochemische Zelle. Den Strom für die katalytische Reaktion gewannen sie mit zwei sehr effizienten Tripel-Solarzellen, auf die sie künstliches Sonnenlicht einstrahlten. Als Elektrolyt verwendeten sie eine wässrige Lösung aus einem organischen Salz, der Borat-Verbindung EMIM-BF4. Wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit und Stabilität wird eine solche Lösung auch als ionische Flüssigkeit bezeichnet.

In dieser elektrochemischen Solarzelle verfolgten die Forscher zwei wichtige Reaktionen: Mit dem photovoltaisch erzeugten Strom konnte zum einen Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert und zum anderen konnten Wassermoleküle aufgespalten werden, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Als Endprodukt dieser Reaktionen erhielten sie eine Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Mischung, die auch als Syngas bezeichnet wird. Der Wirkungsgrad dieser Reaktion war so hoch, dass 4,6 Prozent der Energie des Sonnenlichts im Syngas gespeichert werden konnte. Syngas kann selbst bereits in industriellen Prozessen als Energieträger genutzt werden oder über weitere Verfahren zu flüssigen Treibstoffen wie etwa Methanol umgewandelt werden.

Im Vergleich zu photovoltaischen Solarzellen, die elektrischen Strom mit Wirkungsgraden zwischen 20 (Silizium, Perowskit) und 46 Prozent (Mehrfach-Konzentratorzelle) erzeugen können, wirkt die Gesamteffizienz der neuen elektrochemischen Solarzelle gering. Doch die Endprodukte Syngas oder Methanol bieten den Vorteil, dass sie sich deutlich einfacher und günstiger in Tanks als Strom in Batterien speichern lassen. Zudem wird beim Betrieb ständig Kohlendioxid genutzt und könnte so der Atmosphäre entzogen werden. Sollte sich der Wirkungsgrad mit nanoskaligen Katalysatoren in den zweistelligen Prozentbereich steigern lassen, lockt eine klimafreundliche Treibstoffquelle als Alternative zu Benzin und Diesel aus fossilem Erdöl.