Sonnenlicht als Lösung für die Energiekrise?

Das neue Molekül weise einen Weg, indem es Sonnenenergie speichern und bei Bedarf freisetzen könne. Die Forschenden der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine Methode entwickelt, mit der sich Kohlendioxid effektiv in Ethanol umwandeln lässt – ein nachhaltiger Rohstoff für chemische Anwendungen.

Ethanol aus CO₂ durch Elektrokatalyse

„Wir können das Treibhausgas CO₂ aus der Umwelt entfernen und in einen nachhaltigen Kohlenstoffkreislauf zurückführen“, erläuterte Professor Streb.

Das Team habe gezeigt, wie CO₂ durch Elektrokatalyse in Ethanol umgewandelt werden kann. Wenn für diesen Prozess grüner Strom verwendet wird, könnte dies nachhaltig sein, und Nahrungsmittel, die derzeit zur Ethanolherstellung genutzt werden, stünden wieder für die Ernährung zur Verfügung.

Laut Carsten Streb lässt sich das Verfahren, das bisher im Labormaßstab erprobt wurde, auch im großen Maßstab realisieren. Die Forschungsergebnisse wurden in ACS Catalysis veröffentlicht.

Zwei Farbmoleküle, ein Energiespeicher

Streb greift nach einem 3-D-Modell auf seinem Schreibtisch. "Unser Ziel war es, ein einzelnes Molekül zu schaffen, das Sonnenenergie erntet, speichert und sie bei Bedarf problemlos wieder abgibt." Er hält ein kleines, leuchtend blaues Plastikgebilde hoch.

„Normalerweise können Sie Moleküle nicht anfassen, denn sie sind so klein, dass man sie nicht mal sehen kann. Mit solch einem Modell allerdings kann ich Chemie im wahrsten Sinne des Wortes greifbar machen. Dies ist unser Molekül.“ Es besteht aus gerade mal drei Einheiten: aus zwei Farbstoffmolekülen, die mit einem Energiespeicher in der Mitte verbunden sind.

Ein Glas, gefüllt mit unzähligen dieser Moleküle, könnte Streb nun ins Fenster stellen. Die ursprünglich leicht orangefarbene Flüssigkeit würde beim Sonnetanken intensiv blau werden. Nun ließe sich mit einer einfachen Säure die Energie gewinnen: grüner Wasserstoff.

Die Flüssigkeit verblasst daraufhin wieder, sie nimmt ihren Ausgangszustand an und steht für einen weiteren Zyklus bereit. „Es gibt einen entscheidenden Vorteil gegenüber Benzin: Wir schaffen einen geschlossenen Kreislauf. Das ist nachhaltig.“

Selektive elektrokatalytische Umwandlung durch effizientes Tandemsystem

Die elektrochemische Umwandlung von CO₂ in mehrkohlige Produkte wie Ethanol ist ein idealer Weg, um CO₂ als Rohstoff zu nutzen und dabei wertvolle chemische Rohstoffe sowie energiereiche Treibstoffe zu gewinnen. „Hierfür benötigen wir geeignete Katalysatoren, die diese Umwandlung mit hoher Selektivität ermöglichen, sodass wir eine hohe Ausbeute des gewünschten Produkts – in unserem Fall Ethanol – erzielen“, erklärte Streb.

Zu diesem Zweck hat das Forschungsteam eine spezielle Elektrode entwickelt, die mit einem Schwarzpulver aus Kobalt und Kupfer beschichtet ist. Die beiden Metalle müssen an genau definierten Positionen auf der Elektrode angeordnet sein. „Die erste Herausforderung besteht darin, CO₂ zur Reaktion zu bringen“, so Streb. „Die Bindungen im Molekül sind sehr stark, aber Kobalt kann sie brechen.“ Dies erzeuge zunächst Kohlenmonoxid, das als Ausgangsstoff für die chemische Industrie ungeeignet ist. In einem zweiten Schritt wandelt Kupfer das Kohlenmonoxid zu Ethanol um – jedoch nur, wenn Kobalt und Kupfer eng beieinander liegen.

Steigerung der Selektivität angestrebt

Aktuell liegt die Selektivität des Prozesses bei 80 Prozent – der bislang beste Forschungswert. Dr. Soressa Abera Chala, Hauptautor der Studie, optimierte das Verfahren. Zwei weitere Co-Autoren, Dr. Rongji Liu und Dr. Ekemena Oseghe, arbeiten ebenfalls in Strebs Gruppe mit Humboldt-Stipendien. Das Team arbeitet daran, die Ausbeute auf 90 bis 95 Prozent zu steigern, wobei eine Selektivität von 100 Prozent das Ziel wäre.

Kooperation im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio „CataLight“

Die Steuerung des Prozesses und die genaue Beladung der Elektrode mit Kobalt und Kupfer sind entscheidend. „Wir müssen die einzelnen Atome sehen, was mit einem speziellen Elektronenmikroskop möglich ist“, sagte Streb. Zu diesem Zweck arbeiten die Mainzer Chemiker im Sonderforschungsbereich/Transregio „CataLight“ (SFB/TRR 234) mit Kollegen der Universität Ulm zusammen, um einen effizienten und langlebigen Katalysator zu entwickeln. Das System zeigt selbst nach Monaten eine stabile Leistung.

Die Entscheidung für Kobalt und Kupfer basiert auch auf deren weltweiter Verfügbarkeit. Zwar ließe sich das Verfahren mit Edelmetallen wie Platin oder Palladium umsetzen, doch wären die Kosten zu hoch.

Rohstoffschonende Ethanolproduktion

„Indem wir weltweit verfügbare Rohstoffe als Katalysatoren einsetzen, verfolgen wir in der Forschung den Ansatz, zunehmend auf unedle Metalle zu setzen“, betonte Streb. Zukünftig könnte das Verfahren dazu beitragen, Ethanol aus grünem Strom und CO₂, z. B. aus Kraftwerksabgasen, nachhaltig zu gewinnen.

Heute wird Ethanol in großen Mengen aus Zuckerrohr und Mais hergestellt, was diese Nahrungsmittel für die lokale Bevölkerung unzugänglich macht. Das neue Verfahren eröffnet eine nachhaltige Alternative zur Ethanolherstellung, die dezentral zur Energieerzeugung genutzt werden könnte.

Innovative Forschung für die Energiewende

"Noch stehen wir vor Problemen. Unser Farbstoff ist beispielsweise recht teuer und die Sonne zerstört ihn nach einiger Zeit. Aber wir haben gezeigt, was im Prinzip möglich ist. Tatsächlich sehen wir als Forscherinnen und Forscher genau darin unsere Aufgabe: Wir liefern Konzepte, wie etwas funktionieren kann. Dazu bilden wir Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus, die in der Lage sind, diese Konzepte weiterzuentwickeln."

Streb ist sich sicher: "Wir müssen die globale Energiewirtschaft umkrempeln." Ein Anfang ist gemacht. Der Chemiker und sein Team haben einen wichtigen Baustein geschaffen. Daran werden sie nun weiterarbeiten – fächer- und länderübergreifend.

Originalpublikation
S. Abera Chala et al., Selective Electroreduction of CO₂ to Ethanol via Cobalt–Copper Tandem Catalysts, ACS Catalysis, 5 October 2024, DOI: 10.1021/acscatal.4c05286

Quelle: Johannes Gutenberg University Mainz