Lichtfänger, photothermischer Wandler, Wasserstoff-Produzent und Katalysator in einem, das bietet ein selbstaufheizender Bor-Katalysator, der Sonnenlicht besonders gut ausnutzt, um Kohlendioxid effizient zu reduzieren. Diese jetzt von einem Forscherteam aus Japan und China vorgestellte photothermokatalytische Reaktion benötigt außer Wasser keine weiteren Hilfsstoffe. Sie könnte Ausgangspunkt für neue effektivere Verfahren zur Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid in eine nutzbare Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Treibstoffen und chemischen Produkten sein.
Abb.: Bor als Lichtfänger, photothermischer Wandler, Wasserstoff-Produzent und Katalysator. (Bild: W-VCH)
Als ideale Route, um Kohlendioxid nutzbar zu machen, wird die Reduktion mit einem Photokatalysator und Sonnenlicht als einziger Energiequelle angesehen – ein Prozess, der vom Prinzip her dem ersten Schritt der Photosynthese entspricht. Trotz jahrzehntelanger Entwicklungsarbeiten laufen die Verfahren zur Kohlendioxid-Umwandlung aber noch immer sehr ineffizient. „Die Gründe liegen vor allem in einer bisher noch unzureichenden Ausnutzung des Sonnenlichts, der sehr hohen Energiebarriere für die Aktivierung des Kohlendioxid-Moleküls sowie in der langsamen Kinetik der beteiligten mehrfachen Elektronen- und Protonen-Transferprozesse“, erläutert Jinhua Ye vom japanischen National Institute for Materials Science.
Zusammen mit ihrem Team verfolgt Ye jetzt eine Strategie, bei der nicht nur die Lichtenergie, sondern auch die thermische Energie des Sonnenlichts genutzt werden soll. Wenn die Sonne auf eine Oberfläche scheint, wird diese erwärmt. Diesen photothermischen Effekt wollen die Forscher nutzen, um die Wirksamkeit katalytischer Systeme zu steigern. Die Wahl fiel dabei auf Pulver aus elementarem Bor, deren starke, sehr breite Absorption des Sonnenlicht-Spektrums und deren effektive photothermische Umwandlung für eine bemerkenswerte Selbstaufheizung des bestrahlten Katalysators sorgen. So gelang dem Team eine effiziente Kohlendioxid-Reduktion zu Kohlenmonoxid und Methan, die in Gegenwart von Wasser und unter Lichteinstrahlung – ohne weitere Reagenzien oder Co-Katalysatoren – erreicht wurde.
Unter Bestrahlung heizten sich die Borpartikel auf etwa 378 Grad Celsius auf. Bei diesen Temperaturen kommt es zu einer Reaktion mit dem Wasser, in situ entstehen dabei Wasserstoff und Boroxide. Die Boroxide wirken als Fänger für Kohlendioxid-Moleküle. Der entstehende Wasserstoff ist hochreaktiv und sorgt – in Gegenwart des durch Licht aktivierten Borkatalysators – für eine effektive Reduktion des Kohlendioxids, indem er die benötigten Protonen und Elektronen zur Verfügung stellt.
„Der Schlüssel zum Erfolg liegt in den günstigen Eigenschaften des Bor-Pulvers, die es zu einem Alles-in-Einem-Katalysator machen: Lichtfänger, photothermischer Wandler, Wasserstoff-Produzent und Katalysator“, erläutert Ye. „Unsere Studie belegt das vielversprechende Potenzial der photothermokatalytischen Strategie für die Umwandlung von Kohlendioxid und eröffnet zudem neue Perspektiven für weitere Sonnenenergie nutzende Reaktionssysteme.“
W-VCH / RK
