Billigeres Verfahren der künstlichen Photosynthese erfunden

Seit vielen Jahren kämpfen Wissenschaftler mit dem Problem der wirtschaftlich tragfähigen künstlichen Photosynthese. Ziel ist es, die freie Energie des Sonnenlichts effektiv für chemische Reaktionen zu nutzen. Bisher war es möglich, hochenergetische ultraviolette Strahlen für diesen Zweck zu verwenden, aber sie machen nur 4% des Sonnenlichtspektrums aus. Für andere Teile des Spektrums wurden bisher nur wenige wirksame Materialien gefunden, für die jedoch teure Additive erforderlich sind: Platin (31 USD pro Gramm), Rhenium (1000 USD pro Gramm) oder Iridium (35 USD pro Gramm).

Der Chemieprofessor Fernando Uribe-Romo von der University of Central Florida und seine Studenten haben ein neues synthetisches Material entwickelt , das CO ₂ unter dem Einfluss von Lichtphotonen in Kraftstoff umwandelt. Ein solches Material löst zwei Probleme gleichzeitig: Es reduziert die Menge an Treibhausgasen und liefert „umweltfreundlichen“ Kraftstoff. Und vor allem werden Edelmetalle für die Herstellung nicht benötigt! Es wird Titan verwendet, das in Kilogramm verkauft wird - es ist fast tausendmal billiger als Platin oder Iridium.

Synthetisches Material ist ein metallorganisches Gerüst (Metall-organisches Gerüst, MOF). Übrigens werden ähnliche MOFs aus Zr ₆ O ₄ (OH) ₄ (Stearylfumarat) ₆ ] verwendet, um Wasser aus der Luft zu kondensieren , auch nur unter Verwendung von Sonnenlicht. Stellen Sie sich vor, Sie stellen selbst in der trockensten Wüste eine leere Flasche auf die Straße - und sie selbst ist mit Wasser gefüllt.

Die folgende Abbildung zeigt die Kristallstruktur des metallorganischen MOF MIL-125-Kristalls für die künstliche Photosynthese.



In diesem Fall nutzen metallorganische Strukturen auch Lichtphotonen zur Energiegewinnung, produzieren jedoch am Ausgang harmlose organische Substanzen - ähnlich wie Pflanzen bei der natürlichen Photosynthese selbst Lebensmittel und Baumaterialien produzieren. Sonnenenergie wird von Molekülen gesammelt, die als N-Alkyl-2-aminoterephthalate bezeichnet werden. Die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit argumentieren, dass Moleküle modifiziert werden können, um auf bestimmte Teile des Spektrums zu reagieren. In diesem Fall wurde eine Reaktion auf Blau verwendet. Im Test wurde das Material mit blauen LEDs bestrahlt.


Fotoreaktor. Foto: Universität von Zentralflorida

Kohlendioxid wurde in eine Art „Fotoreaktor“ mit einer starken LED-Hintergrundbeleuchtung gepumpt. Infolge der Photosynthese in MOF wurde Kohlendioxid in Formiate und Formamide umgewandelt. Formiate sind Ameisensäuresalze und Formamide sind Ameisensäureamide. Dies ist eine Art Solarkraftstoff.

Fernando Uribe-Romo wird seine Forschung fortsetzen: Er möchte die Wirksamkeit der künstlichen Photosynthese bei verschiedenen Wellenlängen sowie bei einer höheren Kohlendioxidkonzentration untersuchen, bei der die Wirksamkeit der Photosynthese zunehmen sollte. Der Professor sagt, wenn der Prozess effizient funktioniert, wird dieses Material dazu beitragen, den Treibhausgasgehalt in der Atmosphäre zu reduzieren und eine saubere Art der Kraftstoffherstellung zu erreichen. "Diese Arbeit ist ein Durchbruch", sagt der Autor. „Die Herstellung von Materialien zur Absorption eines bestimmten Lichtspektrums ist wissenschaftlich sehr schwierig. Aus sozialer Sicht helfen wir jedoch bei der Entwicklung einer Technologie zur Reduzierung des Treibhausgasgehalts.“


Professor Fernando Uribe-Romo. Foto: Universität von Zentralflorida

Vielleicht werden sie in Zukunft damit beginnen, Kraftwerke eines neuen Typs zu bauen - ganze Anlagen, die in großen Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufsaugen und Brennstoff produzieren. Sie können sich keine Sorgen über den Mangel an CO _{2 machen} - es ist extrem einfach, dies auszugleichen, sodass immer genug Material für das Leben grüner Pflanzen auf der Erde zur Verfügung steht.


Links sind die Absorptionsisothermen von CO ₂ (273 K), rechts das Differential der Absorptionsenthalpie

Der Professor stellt sich sogar vor, dass die Menschen in Zukunft die Dächer von Häusern mit einem solchen metallorganischen Material bedecken werden, wodurch Energie für den Haushalt erzeugt und die Luft im Hof ​​gereinigt wird.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 7. April 2017 in der Zeitschrift Journal of Materials Chemistry A (doi: 10.1039 / C7TA00437K, pdf ) veröffentlicht.