Durchbruch: Solarzelle wandelt CO2 mit Sonnenlicht in Kraftstoff um
Forscher an der University of Illinois in Chicago haben eine bahnbrechende Solarzelle entwickelt, die kostengünstig und effizient atmosphärisches Kohlendioxid direkt in nutzbaren Kohlenwasserstoffbrennstoff umwandelt, nur mit Sonnenlicht als Energiequelle.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, die in Batterien gespeichert werden kann, funktioniert das neue Gerät im wesentlichen ähnlich wie Pflanzen, die Umwandlung des Kohlendioxid erfolgt direkt in Kraftstoff. Ein Solarpark mit solchen "künstlichen Blättern" könnte erhebliche Mengen an Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen und effizient energiereichen Brennstoff produzieren.
"Die neue Solarzelle ist nicht Photovoltaik – es ist Photosynthese", so erklärt Amin Salehi–Khojin, Assistenz–Professor für Maschinen– und Anlagenbau bei der UIC und leitender Autor der Studie.
"Statt Energie in einem Einweg–Prozess von fossilen Brennstoffen zu Treibhausgas zu produzieren, können wir nun den Prozess umzukehren und Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Kraftstoff mit Sonnenlicht recyceln", sagt er.
Während Pflanzen Brennstoff in Form von Zucker zu produzieren, liefert das künstliche Blatt Syngas oder Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Syngas kann direkt verbrannt oder in Diesel oder andere Treibstoffen umgewandelt werden. Die Fähigkeit, CO2 in Kraftstoff zu verwandeln, zu einem Preis, der vergleichbar mit Benzin ist, würde fossile Brennstoffe überflüssig machen.
Chemische Reaktionen, die CO2 in brennbare Formen von Kohlenstoff umwandeln werden Reduktionsreaktionen genannt, sie sind das Gegenteil von Oxidation oder Verbrennung. Bereits einige Zeit habe Ingenieure verschiedene Katalysatoren erforscht, um CO2–Reduktion zu erreichen, aber bisher waren diese ineffizient und stützen sich auf teure Edelmetalle wie z.B. Silber, erklärt Salehi–Khojin. "Was wir brauchen ist eine neue Familie von Chemikalien mit außergewöhnlichen Eigenschaften war", sagte er.
Salehi–Khojin und seine Mitarbeiter konzentrierte sich auf eine Familie von nanostrukturierten Verbindungen, Dichalcogenide genannt – oder TMDCs – als Katalysatoren, und verwenden unkonventionelle ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt in einem Zwei–Kammer–System, mit Drei–Elektroden in der elektrochemischen Zelle.
Der beste Katalysator scheint Nano Wolframdiselenid zu sein.
"Der neue Katalysator ist aktiver; mehr in der Lage Kohlendioxid von chemischen Bindungen zu brechen " , sagt UIC Postdoc–Forscher Mohammad Asadi, erster Autor des Wissenschaftspapiers.
Der Katalysator ist 1000–mal schneller als Edelmetallkatalysatoren – und etwa 20–mal billiger. Andere Forscher haben bereits TMDC Katalysatoren verwendet, um Wasserstoff mit anderen Mitteln zu erzeugen, aber nicht zur Reduktion von CO2.
Der Durchbruch war die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit, Ethyl–Methyl–Imidazolium Tetrafluoroborat, mit Wasser gemischt ca 50–50.
Das UIC–künstliche Blatt besteht aus zwei Silizium Triple–Junction–Solarzellen mit 18 cm2, Wolframdiselenid und ionischer Flüssigkeit als Cokatalysator–System auf der Kathodenseite; und Cobaltoxid in Kaliumphosphat–Elektrolyten auf der Anodenseite.
Wenn Licht von 100 Watt pro Quadratmeter die Erde auf die Zelle trifft, beginnt sie zu arbeiten. Die Technologie sollte nicht nur für großflächigen Einsatz, wie Solaranlagen, sondern auch für kleine Anwendungen anpassbar sein.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, die in Batterien gespeichert werden kann, funktioniert das neue Gerät im wesentlichen ähnlich wie Pflanzen, die Umwandlung des Kohlendioxid erfolgt direkt in Kraftstoff. Ein Solarpark mit solchen "künstlichen Blättern" könnte erhebliche Mengen an Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen und effizient energiereichen Brennstoff produzieren.
"Die neue Solarzelle ist nicht Photovoltaik – es ist Photosynthese", so erklärt Amin Salehi–Khojin, Assistenz–Professor für Maschinen– und Anlagenbau bei der UIC und leitender Autor der Studie.
"Statt Energie in einem Einweg–Prozess von fossilen Brennstoffen zu Treibhausgas zu produzieren, können wir nun den Prozess umzukehren und Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Kraftstoff mit Sonnenlicht recyceln", sagt er.
Während Pflanzen Brennstoff in Form von Zucker zu produzieren, liefert das künstliche Blatt Syngas oder Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Syngas kann direkt verbrannt oder in Diesel oder andere Treibstoffen umgewandelt werden. Die Fähigkeit, CO2 in Kraftstoff zu verwandeln, zu einem Preis, der vergleichbar mit Benzin ist, würde fossile Brennstoffe überflüssig machen.
Chemische Reaktionen, die CO2 in brennbare Formen von Kohlenstoff umwandeln werden Reduktionsreaktionen genannt, sie sind das Gegenteil von Oxidation oder Verbrennung. Bereits einige Zeit habe Ingenieure verschiedene Katalysatoren erforscht, um CO2–Reduktion zu erreichen, aber bisher waren diese ineffizient und stützen sich auf teure Edelmetalle wie z.B. Silber, erklärt Salehi–Khojin. "Was wir brauchen ist eine neue Familie von Chemikalien mit außergewöhnlichen Eigenschaften war", sagte er.
Salehi–Khojin und seine Mitarbeiter konzentrierte sich auf eine Familie von nanostrukturierten Verbindungen, Dichalcogenide genannt – oder TMDCs – als Katalysatoren, und verwenden unkonventionelle ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt in einem Zwei–Kammer–System, mit Drei–Elektroden in der elektrochemischen Zelle.
Der beste Katalysator scheint Nano Wolframdiselenid zu sein.
"Der neue Katalysator ist aktiver; mehr in der Lage Kohlendioxid von chemischen Bindungen zu brechen " , sagt UIC Postdoc–Forscher Mohammad Asadi, erster Autor des Wissenschaftspapiers.
Der Katalysator ist 1000–mal schneller als Edelmetallkatalysatoren – und etwa 20–mal billiger. Andere Forscher haben bereits TMDC Katalysatoren verwendet, um Wasserstoff mit anderen Mitteln zu erzeugen, aber nicht zur Reduktion von CO2.
Der Durchbruch war die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit, Ethyl–Methyl–Imidazolium Tetrafluoroborat, mit Wasser gemischt ca 50–50.
Das UIC–künstliche Blatt besteht aus zwei Silizium Triple–Junction–Solarzellen mit 18 cm2, Wolframdiselenid und ionischer Flüssigkeit als Cokatalysator–System auf der Kathodenseite; und Cobaltoxid in Kaliumphosphat–Elektrolyten auf der Anodenseite.
Wenn Licht von 100 Watt pro Quadratmeter die Erde auf die Zelle trifft, beginnt sie zu arbeiten. Die Technologie sollte nicht nur für großflächigen Einsatz, wie Solaranlagen, sondern auch für kleine Anwendungen anpassbar sein.