Photosynthese ist in der Natur ganz alltäglich. Pflanzen wandeln Wasser und Kohlenstoffdioxid aus der Luft mittels Licht in Glucose und Sauerstoff, also in Energie, um. Diesen Prozess künstlich herzustellen, war bisher nur ansatzweise möglich. Forschern der Universität Cambridge und dem Team von Professor Kazunari Domen von der Universität Tokio ist mit der Entwicklung eines neuen Systems nun ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese gelungen. Diese „Photosheet”-Technologie wandelt Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Ameisensäure um, einen Brennstoff, der entweder direkt verwendet oder in Wasserstoff umgewandelt werden kann.
Sonnenenergie zur Umwandlung von Kohlendioxid in Treibstoff zu nutzen ist ein vielversprechender Weg, Kohlenstoffemissionen in der Atmosphäre zu verringern und mehr und mehr von fossilen Brennstoffen abzukommen. Diese sauberen Brennstoffe ohne unerwünschte Nebenprodukte herzustellen, sei jedoch eine Herausforderung, betonen die Forscher.
„Es war schwierig, eine künstliche Photosynthese mit einem hohen Grad an Selektivität zu erreichen, so dass man so viel Sonnenlicht wie möglich in den gewünschten Brennstoff umwandelt und nicht eine Menge Abfall übrigbleibt”, sagt Dr. Qian Wang vom Cambridge Department of Chemistry. Sie ist die Erstautorin der Studie, die im Fachmagazin Nature Energy veröffentlicht wurde. Darüber hinaus könne die Lagerung von gasförmigen Brennstoffen und die Trennung von Nebenprodukten kompliziert sein, erklärte Professor Erwin Reisner, der leitende Autor der Studie. „Wir wollen zu dem Punkt kommen, an dem wir sauber einen flüssigen Brennstoff herstellen können, der auch leicht gelagert und transportiert werden kann.”
Grundlage: „Künstliches Blatt“
Bereits im Jahr 2019 entwickelten Forscher um Professor Reisner einen Solarreaktor auf der Grundlage eines „künstlichen Blattes“. Der nutzt ebenfalls Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser zur Herstellung eines Brennstoffs, des so genannten Synthesegases. Die jetzt entwickelte, neue Technologie ähnelt dem künstlichen Blatt optisch und verhält sich auch ähnlich. Sie funktioniert aber anders und produziert Ameisensäure.
Während das künstliche Blatt Komponenten aus Solarzellen verwende, benötige das neue System diese Komponenten nicht. Es baue ausschließlich auf Photokatalysatoren auf, die auf einer Folie eingebettet sind, um eine so genannte Photokatalysatorfolie herzustellen, sagen die Wissenschaftler. Die Folien bestünden aus Halbleiterpulvern, die in großen Mengen einfach und kostengünstig hergestellt werden könnten.
„Darüber hinaus ist diese neue Technologie robuster und produziert sauberen Brennstoff, der leichter zu lagern ist und Potenzial für die Herstellung von Brennstoffprodukten in großem Maßstab aufweist.“ Die Testeinheit misst nur 20 Quadratzentimeter, laut Aussage der Forscher dürfte es allerdings relativ einfach sein, sie auf mehrere Quadratmeter zu skalieren. So könnte das drahtlose System auf „Energie-Farmen” wie Solarparks, eingesetzt werden, um mit Sonnenlicht und Wasser sauberen Treibstoff zu produzieren.
Die Ameisensäure könnte darüber hinaus in Lösung akkumuliert und chemisch in verschiedene Arten von Brennstoff umgewandelt werden. „Wir waren überrascht, wie gut es in Bezug auf seine Selektivität funktioniert – es entstehen fast keine Nebenprodukte”, so Wang. „Manchmal funktionieren die Dinge nicht so gut, wie man erwartet hat, aber dies war ein seltener Fall, in dem es tatsächlich besser funktionierte.“
Ziel: Verschiedene solare Brennstoffe
Der Katalysator auf Kobaltbasis zur Umwandlung von Kohlendioxid sei leicht herzustellen und relativ stabil. Auch wenn diese Technologie einfacher zu skalieren sein wird als das künstliche Blatt, müssten dennoch die Wirkungsgrade noch verbessert werden, bevor ein kommerzieller Einsatz in Betracht gezogen werden könne. Die Forscher experimentieren mit einer Reihe von verschiedenen Katalysatoren, um sowohl die Stabilität als auch die Effizienz zu verbessern.
Aktuell arbeiten die Forscher daran, das System weiter zu optimieren und die Effizienz zu verbessern und erforschen gleichzeitig weitere Katalysatoren für den Einsatz auf dem Gerät, um verschiedene solare Brennstoffe zu erhalten. „Wir hoffen, dass diese Technologie den Weg zu einer nachhaltigen und praktischen Produktion von Solarbrennstoffen ebnen wird”, sagt Reisner.
