Künstliche Photosynthese: Mit hoher Effizienz von CO2 zur Plastik-Basis

Ein neues System zur künstlichen Photosynthese, das an der University of Michigan entwickelt wurde, erzeugt mit bisher unerreichter Effizienz und Haltbarkeit wichtige Ausgangsstoffe für die Herstellung von Plastik.

Eine kleine Reaktion

Das System sorgt dafür, dass die beiden Kohlenstoff-Atome zweier CO₂-Moleküle miteinander verbunden werden. In diesem ersten Schritt entsteht so Ethylen (C2H4). Dieses ist in der chemischen Industrie die meisthergestellte organische Verbindung und bildet den Ausgangsstoff für viele Produkte - hauptsächlich vom Kunststoff Polyethylen, der in zahlreichen Anwendungen eingesetzt wird.

Normalerweise wird Ethylen unter hohem Energieaufwand aus Erdöl hergestellt. Statt nun aber zur Anreicherung von fossilen Kohlenstoffen in unserer Umwelt beizutragen, würde das neue System dabei helfen, das in die Atmosphäre gelangende CO₂ zu reduzieren und in wichtige Rohstoffe umzuwandeln. Laut Zetian Mi, Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Michigan, ist die Leistung des neuen Prozesses "etwa fünf- bis sechsmal höher als bei anderen solarbetriebenen CO₂-Reduktionsverfahren".


Das Gerät absorbiert Licht mithilfe zweier Halbleiter: Gallium-Nitrid-Nanodrähte, die auf einer Silizium-Basis gewachsen sind. Die eigentliche chemische Reaktion findet auf kleinen Kupferclustern statt, die den Nanodrähten aufgesetzt sind. Die Nanodrähte werden in Wasser mit gelöstem CO₂ getaucht und mit Licht bestrahlt, was die Elektronen freisetzt, die zur Spaltung des Wassers und damit zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff führen. Der Wasserstoff reagiert anschließend mit dem CO₂ und bildet Ethylen. Die erzeugten Sauerstoffatome verbessern zudem den Katalysator und ermöglichen eine Art Selbstheilungsprozess des Systems.

Lange Lebenszeit

Die Forscher berichten, dass 61 Prozent der freigesetzten Elektronen tatsächlich zur Bildung von Ethylen beitragen. Damit übertrifft das System andere Ansätze, die auf Silber- und Kupferkatalysatoren basieren, sowohl in Effizienz als auch in Langlebigkeit. Während andere Systeme nach wenigen Stunden ihren Betrieb einstellen, lief das System der University of Michigan 116 Stunden ohne Leistungsabfall. In ähnlichen Experimenten wurde sogar eine Betriebsdauer von bis zu 3000 Stunden erreicht.

Zukünftige Arbeiten sollen die Lebensdauer des Systems weiter untersuchen und die Produktion anderer Kohlenstoffverbindungen wie Propanol ermöglichen. Langfristig ist auch die Herstellung flüssiger Brennstoffe das Ziel, um die Nachhaltigkeit in verschiedenen Bereichen des Transports zu steigern.


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