Ein Photon, zwei Reaktionen: Solarkatalysator verwandelt CO₂ und Biomüll gleichzeitig in nützliche Chemikalien

Kohlendioxid gilt als eines der zentralen Probleme der Klimakrise, steckt aber auch voller chemischer Energie. Gelingt es, CO₂ mit Sonnenlicht in nützliche Verbindungen umzuwandeln, wird aus einem Abfallprodukt ein Rohstoff. Genau daran arbeiten Forscher:innen weltweit seit Jahren. Der Haken: Die meisten Ansätze erfordern entweder externe Energie oder teure Katalysatormaterialien und lösen stets nur ein Problem auf einmal. Forscher:innen der University of Nottingham haben jetzt einen solarbetriebenen Reaktor vorgestellt, der beides umgeht. Das System treibt zwei chemische Prozesse gleichzeitig an: Es wandelt Kohlendioxid in einen wertvollen Rohstoff um und verarbeitet Bioabfall zu Vorläuferstoffen für nachhaltige Kunststoffe, angetrieben ausschließlich durch Sonnenlicht.

Zwei Reaktionen aus einem einzigen Photon

Das Herzstück der Entwicklung ist ein sogenannter bias-freier photoelektrochemischer Reaktor (PEC-Reaktor) mit zwei verbundenen Kammern. Trifft ein Photon auf die Fotoanode in der ersten Kammer, löst es ein Elektron aus dem Material heraus. Dieses Elektron wandert zur Kathode in der zweiten Kammer und reduziert dort CO₂ zu Formiat, einem Stoff, der in der Textil-, Farb- und Pharmaindustrie Verwendung findet. Das zurückbleibende „Loch“ in der Fotoanode oxidiert gleichzeitig 5-Hydroxymethyl-2-Furancarbonsäure (HMFA), eine aus Biomasse gewonnene Verbindung, zu einem Baustein für biobasierte Kunststoffe der nächsten Generation.

Die Fotoanode besteht aus nanostrukturiertem Kohlenstoffnitrid und Wolframoxid, verstärkt durch eine Kobaltoxidschicht. Die gezielte Abstimmung von Größe, Form und Zusammensetzung der Katalysatorteilchen auf der Reaktoroberfläche ist laut dem Team entscheidend für die hohe Effizienz des Systems.

Wirkungsgrade von über 93 Prozent

In Labortests erreichte der Reaktor eine Umwandlungsrate von rund 93 Prozent für CO₂ zu Formiat und etwa 95 Prozent für die Oxidation der Biomasse-Verbindung. Diese Werte sind für solargetriebene Systeme ungewöhnlich hoch. Eine Lebenszyklusanalyse bestätigte den geringen CO₂-Fußabdruck des Verfahrens.

Besonders relevant für eine spätere Industrialisierung: Das Team verzichtete vollständig auf seltene oder teure Metalle wie Platin oder Iridium, die viele Laborkatalysatoren zwar leistungsfähig, aber kaum skalierbar machen. Stattdessen kommen ausschließlich abundante, kostengünstige Elemente zum Einsatz.

Potenzial für dezentrale Produktion

Die langfristige Vision der Nottinghamer Gruppe geht über den Labormaßstab hinaus. Modulare Reaktoren dieser Art ließen sich direkt an industrielle CO₂-Quellen oder landwirtschaftliche Bioraffinerien anbinden und könnten so eine dezentrale, emissionsarme Chemikalienproduktion ermöglichen. Professor Andrei Khlobystov, der die Forschungsgruppe leitet, sieht darin einen konkreten Schritt in Richtung Netto-Null: Die Menschheit nutze bislang nur einen winzigen Bruchteil der verfügbaren Sonnenenergie, überwiegend zur Stromerzeugung. Dieser Ansatz erschließe einen direkten Weg, Sonnenlicht zur Lösung zweier globaler Herausforderungen zu nutzen.

Das Projekt wird vom EPSRC Programme Grant Metal atoms on surfaces and interfaces (MASI) for sustainable future finanziert. Die Nottinghamer Gruppe hat in den vergangenen Jahren bereits Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion und die CO₂-Umwandlung zu Methanol veröffentlicht; der aktuelle Reaktor baut auf diesen Vorarbeiten auf.

via University of Nottingham