Forscher haben eine solarbetriebene Technologie entwickelt, die Kohlendioxid und Wasser in flüssige Kraftstoffe umwandelt, die als Drop-in-Kraftstoff direkt in den Motor eines Autos gegeben werden können.
Die Forscher der Universität Cambridge nutzten die Kraft der Photosynthese, um CO umzuwandeln2, Wasser und Sonnenlicht in einem einzigen Schritt in Multicarbon-Kraftstoffe – Ethanol und Propanol – umwandeln. Diese Kraftstoffe haben eine hohe Energiedichte und lassen sich gut lagern oder transportieren.
Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursachen diese Solarkraftstoffe keine CO2-Emissionen und sind vollständig erneuerbar. Im Gegensatz zu den meisten Bioethanol-Kraftstoffen wird keine landwirtschaftliche Fläche von der Lebensmittelproduktion abgezweigt.
Während sich die Technologie noch im Labormaßstab befindet, sagen die Forscher, dass ihre „künstlichen Blätter“ einen wichtigen Schritt beim Übergang weg von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft darstellen. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet Naturenergie.
Bioethanol wird als sauberere Alternative zu Benzin angepriesen, da es aus Pflanzen statt aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Die meisten Pkw und Lkw auf der Straße werden heute mit Benzin betrieben, das bis zu 10 % Ethanol enthält (E10-Kraftstoff). Die Vereinigten Staaten sind der weltweit größte Bioethanolproduzent: Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums werden fast 45 % des gesamten in den USA angebauten Mais für die Ethanolproduktion verwendet.
„Biokraftstoffe wie Ethanol sind eine umstrittene Technologie, nicht zuletzt, weil sie landwirtschaftliche Flächen beanspruchen, die stattdessen für den Nahrungsmittelanbau genutzt werden könnten“, sagte Professor Erwin Reisner, der die Forschung leitete.
Seit mehreren Jahren entwickelt Reisners Forschungsgruppe am Yusuf Hamied Department of Chemistry mithilfe künstlicher Blätter nachhaltige, kohlenstofffreie Kraftstoffe, die von der Photosynthese inspiriert sind – dem Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Nahrung umwandeln.
Bisher konnten aus diesen künstlichen Blättern nur einfache Chemikalien wie Synthesegas hergestellt werden, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die zur Herstellung von Kraftstoffen, Arzneimitteln, Kunststoffen und Düngemitteln verwendet wird. Um die Technologie jedoch praktischer zu machen, müssten komplexere Chemikalien direkt in einem einzigen solarbetriebenen Schritt hergestellt werden können.
Jetzt kann das künstliche Blatt direkt sauberes Ethanol und Propanol produzieren, ohne dass der Zwischenschritt der Herstellung von Synthesegas erforderlich ist.
Die Forscher entwickelten einen Katalysator auf Kupfer- und Palladiumbasis. Der Katalysator wurde so optimiert, dass das künstliche Blatt komplexere Chemikalien produzieren konnte, insbesondere die Mehrkohlenstoffalkohole Ethanol und n-Propanol. Beide Alkohole sind Kraftstoffe mit hoher Energiedichte, die leicht transportiert und gelagert werden können.
Andere Wissenschaftler konnten ähnliche Chemikalien mithilfe von elektrischer Energie herstellen, aber dies ist das erste Mal, dass derart komplexe Chemikalien mit einem künstlichen Blatt hergestellt wurden, das ausschließlich die Energie der Sonne nutzte.
„Die künstlichen Blätter mit Sonnenlicht zu bestrahlen und aus Kohlendioxid und Wasser flüssigen Treibstoff zu gewinnen, ist eine erstaunliche Chemie“, sagte Dr. Motiar Rahaman, der Erstautor der Studie. „Normalerweise, wenn man versucht, CO umzuwandeln2 Wenn man mithilfe eines Geräts mit künstlichen Blättern ein anderes chemisches Produkt umwandelt, erhält man fast immer Kohlenmonoxid oder Synthesegas, aber hier ist es uns gelungen, einen praktischen Flüssigbrennstoff herzustellen, der einfach die Kraft der Sonne nutzt. Es ist ein aufregender Fortschritt, der völlig neue Wege in unserer Arbeit eröffnet.“
Derzeit ist das Gerät ein Proof of Concept und weist nur eine mäßige Effizienz auf. Die Forscher arbeiten daran, die Lichtabsorber so zu optimieren, dass sie das Sonnenlicht besser absorbieren können, und den Katalysator so zu optimieren, dass er mehr Sonnenlicht in Kraftstoff umwandeln kann. Darüber hinaus sind weitere Arbeiten erforderlich, um das Gerät skalierbar zu machen, damit es große Mengen Kraftstoff produzieren kann.
„Auch wenn noch viel zu tun ist, haben wir gezeigt, wozu diese künstlichen Blätter fähig sind“, sagte Reisner. „Es ist wichtig zu zeigen, dass wir über die einfachsten Moleküle hinausgehen und Dinge herstellen können, die beim Übergang von fossilen Brennstoffen direkt nützlich sind.“
Die Forschung wurde teilweise durch das Marie Skłodowska-Curie-Stipendium der Europäischen Kommission, den Cambridge Trust und das Winton-Programm für die Physik der Nachhaltigkeit unterstützt. Erwin Reisner ist Fellow und Motiar Rahaman ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des St. John’s College, Cambridge.
