Forscher erschaffen künstliches Blatt – es macht aus Luft, Wasser und Sonnenlicht flüssigen Treibstoff für die Zukunft
Ein künstliches Blatt wandelt Sonnenlicht, Wasser und CO₂ direkt in Methanol um – 32-mal effizienter als bisherige Systeme.
Silizium-Mikrosäulen und Kohlenstoffnanoröhren bilden das Herz des künstlichen Blatts: Das Yale-System wandelt CO₂ mit Sonnenlicht in flüssigen Treibstoff um. © Bo Shang
Ein paar Siliziumsäulen, etwas Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid aus der Luft – mehr braucht das neue System nicht, um einen flüssigen Energieträger herzustellen. Das künstliche Blatt arbeitet nach einem Prinzip, das Pflanzen seit Hunderten Millionen Jahren beherrschen. Statt Zucker entsteht jedoch Methanol – ein vielseitig nutzbarer Treibstoff und wichtiger Grundstoff für die Industrie. Forschern der Yale University gelang damit erstmals ein eigenständiges Gerät, das allein mit Sonnenlicht, Wasser und CO₂ Methanol erzeugt.
Die Anlage ahmt die Photosynthese nach. Pflanzen wandeln Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in chemische Energie um. Das künstliche System verfolgt einen ähnlichen Weg, erzeugt aber direkt einen flüssigen Energieträger. In der Studie gelang die Umwandlung 32-mal effizienter als bei bisherigen künstlichen Blättern, die alkoholhaltige Produkte erzeugten.
Wie das künstliche Blatt Methanol überraschend effizient erzeugt
Methanol gilt als interessanter Energieträger für die Zukunft. Die Flüssigkeit lässt sich speichern, transportieren und in verschiedenen industriellen Prozessen einsetzen. Außerdem dient sie als Ausgangsstoff für zahlreiche Chemikalien.
Gleichzeitig entzieht das neue System der Umgebung Kohlendioxid. Das Treibhausgas zählt zu den wichtigsten Ursachen der globalen Erwärmung. Jede Technologie, die CO₂ als Rohstoff nutzt, weckt deshalb großes Interesse.
„Das sieht vielversprechend aus, mit einem Konzept, das vergleichbar ist mit dem, was die Natur macht“, sagt Chemieprofessor Hailiang Wang. „Von dem Moment an, als wir die ersten Ergebnisse gesehen haben, war es unglaublich spannend.“
Ein spezieller Katalysator beschleunigt die Reaktion deutlich
Der technische Kern des Systems entstand über viele Jahre. Eine wichtige Rolle spielt ein Katalysator, den Wangs Arbeitsgruppe bereits 2019 entwickelt hatte. Er ermöglicht die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser zu Methanol mithilfe elektrischer Energie.
Dabei kommen Moleküle aus Kobalt-Phthalocyanin zum Einsatz, die auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen befestigt sind. Diese winzigen Röhrchen funktionieren wie eine Schnellstraße für Elektronen. Die elektrische Ladung gelangt dadurch rasch zu den aktiven Stellen des Katalysators. Dort läuft die eigentliche Umwandlung des Kohlendioxids ab.
Der Prozess ist anspruchsvoll. Für ein einziges CO₂-Molekül müssen sechs Elektronen bereitgestellt werden. Frühere Systeme schafften oft nur einen deutlich einfacheren Zweielektronen-Prozess. Das Ergebnis waren Produkte wie Kohlenmonoxid statt Methanol.
Siliziumsäulen fangen Sonnenlicht besonders geschickt ein
Neben dem Katalysator entwickelten die Forscher eine neuartige Fotoelektrode. Sie besteht aus einem Feld mikroskopisch kleiner Siliziumsäulen. Eine zusätzliche Schicht aus Kohlenstoff verbessert den Elektronentransport.
Die Struktur bietet mehrere Vorteile gleichzeitig. Sie erzeugt elektrische Ladungen effizienter, trennt sie besser voneinander und stellt mehr Oberfläche für den Katalysator bereit. Dadurch steigt die Ausbeute der chemischen Reaktion deutlich. Nach Angaben des Teams handelt es sich um die bislang effizienteste photoelektrokatalytische Umwandlung von CO₂ zu Methanol auf Siliziumbasis.
Auf Fotos wirkt das System unscheinbar. Unter Beleuchtung beginnt jedoch ein Prozess, der an ein künstliches Blatt erinnert. Sonnenenergie wird direkt in chemische Energie umgewandelt und in flüssiger Form gespeichert.
Sonnenlicht, Wasser und CO₂ liefern flüssigen Treibstoff
Besonders interessant ist die Einfachheit des Aufbaus. Das Gerät benötigt keine externe Stromquelle. Es arbeitet eigenständig mit den drei Grundzutaten Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid.
Damit könnte ein Weg entstehen, Solarenergie langfristig zu speichern. Herkömmliche Photovoltaikanlagen erzeugen Strom nur dann, wenn die Sonne scheint. Flüssige Energieträger lassen sich dagegen lagern und später nutzen.
Bo Shang, Erstautor der Arbeit, arbeitete mehr als fünf Jahre an dem Projekt. „Als ich angefangen habe, schien ein Gerät, das völlig eigenständig läuft, ein sehr gewagtes Ziel“, sagt er. „Zu sehen, wie aus Sonnenlicht, Wasser und CO₂ ein nutzbarer Treibstoff entsteht, ist unglaublich erfüllend – und fühlt sich an wie erst der Anfang dessen, was dieser Ansatz leisten kann.“
Die aktuelle Version markiert für das Team keinen Endpunkt. Die Forscher arbeiten bereits daran, die Struktur weiter zu verbessern und die Ausbeute zu erhöhen. Die grundlegende Funktionsfähigkeit gilt inzwischen als nachgewiesen.
Kurz zusammengefasst:
- Ein künstliches Blatt der Yale University erzeugt aus Sonnenlicht, Wasser und CO₂ direkt Methanol, also einen speicherbaren flüssigen Energieträger.
- Der Trick liegt in Silizium-Mikrosäulen und einem Katalysator, der Elektronen besonders schnell zu den CO₂-Molekülen bringt.
- In der Studie arbeitete das System 32-mal effizienter als frühere künstliche Blätter für alkoholhaltige Produkte; nun soll die Ausbeute weiter steigen.
Übrigens: Während das künstliche Blatt CO₂ in flüssigen Treibstoff verwandelt, geht Kalifornien den umgekehrten Weg – dort wird das Treibhausgas tief unter der Erde weggeschlossen. Wo früher Öl gefördert wurde, soll nun Millionen Tonnen CO₂ verschwinden. Mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © Bo Shang
