08.05.2018

Mit Licht gegen die Trägheit von CO2

Bonner Forscher Prof. Peter Vöhringer und Steffen Straub am Laser und Infrarotspektrometer

Die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid (CO2) wäre ein großer Erfolg im Kampf gegen den Klimawandel. Forscher suchen Wege, um das träge Gas mit Licht zu aktivieren.

Lässt sich das träge Treibhausgas CO2 mithilfe von Lasern, LEDs oder Sonnenlicht so aktivieren, dass es als Rohstoff für chemische Produkte und synthetische Kraftstoffe nutzbar wird? In aller Welt gehen Forscher dieser Frage nach. Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat entsprechende Forschungsprojekte von 2010 bis 2016 schon mit 100 Mio. Euro gefördert. Seit 2016 läuft eine zweite, mit 17,5 Mio. Euro geförderte Phase der Maßnahme „CO2Plus“. Schwerpunkt, neben effizienter CO2-Abtrennung und -Nutzung als Baustein für chemische Grundstoffe - sind Projekte rund um die photokatalytische Aktivierung des Gases. Darin suchen die Forscher geeignete Kombinationen von Licht und Katalysatoren, um die natürliche Photosynthese technisch nachzuahmen.

Hochleistungs-LEDs und Diamant-Photokatalysator

Im Zentrum steht die Frage, ob der Energieeinsatz für die Aktivierung des trägen Gases so verringert werden kann, dass bei der stofflichen CO2-Nutzung tatsächlich ein positiver Klimaeffekt herausspringt. Ein Förderprojekt mit dem Titel „CarbonCat“ entwickelt ein mikrostrukturiertes Reaktorsystem, in dem Hochleistungs-LEDs und ein Kohlenstoff-basiertes Photokatalysatorsystem zur Photosynthese genutzt werden. Perspektivisch planen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologien ICT, Institutsteil Mikrotechnik und Mikrosysteme (ICT-IMM), der Universität Würzburg und der Sahlmann Photochemical Solutions die technische Photosynthese mit Sonnenlicht zu realisieren. Anstelle der Chloroplasten in Pflanzenzellen nutzt der Mikroreaktor einen Diamant-Photokatalysator. Im Reaktor werden CO2 und Wasser kontinuierlich durchmischt und belichtet. Ziel ist es, das Zusammenspiel von Licht und katalytischem Prozess zu optimieren, und die Photokatalysator-Oberflächen im Sinne einer maximalen Ausbeute chemisch zu modifizieren. Nur so kann die technische Photosynthese CO2 mit minimiertem Energieeinsatz in wertvolle chemische C1-Bausteine wie Methanol umwandeln.

Auch ein zweites Projekt mit dem Titel „PROPHECY“ sucht Wege, um CO2 mit Sonnenlicht in Methan, Methanol oder Synthesegas zu wandeln. Die Maßgabe der Forscher des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock, der Uni Oldenburg, des Karlsruher Instituts für Technologie und der Siemens AG: Es muss ökologisch und ökonomisch Sinn machen. Hieran scheitern entsprechende Forschungen mittlerweile seit drei Jahrzehnten. Als Endprodukt von Verbrennungsprozessen lässt sich CO2 nur mit viel Energie zu weiteren chemischen Reaktionen bewegen. Neue Material- und Prozesskonzepte sind gefragt, um eine klimaneutrale CO2-Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Die Forscher wissen, dass sie die Ausbeute der photokatalytischen CO2-Reduktion dafür um mehrere Größenordnungen steigern müssen. Dafür versetzen sie träges CO2-Wasser-Gemisch mit Additiven wie Bioethanol oder regenerativ erzeugtem Wasserstoff und erproben neue Photokatalysatoren abseits von Titanoxid (TiO2) oder Zinkoxid (ZnO).

Ultrakurze Laserpulse aktivieren Kohlendioxid

Forscher des Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie der Uni Bonn publizierten jüngst im Fachjournal „Angewandte Chemie“ eine vielversprechende Beobachtung. Dem Team um Prof. Peter Vöhringer ist es im Labormaßstab gelungen, das träge Treibhausgas mit ultrakurzen UV-Laserpulsen in einen reaktionsfreudigeren Zustand zu versetzen. Im Zentrum stand ein Eisenkomplex mit positiv geladenem Eisenatom, an dem die CO2-Bestandteile mehrfach angebunden waren. Die Laserpulse brachen diese Verbindungen auf, wobei sich Kohlendioxid-Radikal bildete. Solche Radikale zeichnen sich durch ein einzelnes Elektron auf der äußeren Hülle aus, das eine hohe Bindungsbereitschaft zu anderen Molekülen oder Atomen aufweist. Gelänge eine solche Aktivierung im Großmaßstab, wäre das ein enormer Schritt in Richtung der CO2-Kreislaufwirtschaft.

Photonik spielt beim Bonner Forscherteam übrigens nicht nur die Hauptrolle bei der CO2-Aktivierung, sondern auch beim Nachweis der Radikale: Mithilfe zeitlich hochaufgelöster Infrarot-Spektrometrie im Femtosekundenbereich konnten sie die Entstehung des Kohlendioxid-Radikals anhand veränderter Schwingungsspektren dieser hochreaktiven Moleküle nachweisen.

 
 
 
 
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