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05.06.2026 09:17 Uhr |
Ein Forschungsteam der Yale University hat eine Art künstliches „Blatt“ entwickelt, das selbstständig – angelehnt an der Photosynthese durch ein Pflanzenblatt – aus Sonnenlicht, Wasser und CO₂ flüssigen Kraftstoff in Form von Methanol herstellen kann. Bisherige Versuche, auf diese Weise Methanol herzustellen, soll das Gerät um das 32-Fache übertreffen.
Bei der natürlichen Photosynthese wandeln etwa ein Pflanzenblatt, Algen und einige Bakterienarten mittels Sonnenlicht Wasser und Kohlendioxid in Glukose um. Dabei wird Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Die Wissenschaftler rund um den Yale-Professor für Chemie Hailiang Wang haben sich das Prinzip zunutze gemacht, um mithilfe von Katalysatoren, Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid einen flüssigen Kraftstoff herzustellen. Das im Prozess entstehende Methanol wird dabei ausschließlich aus den drei Komponenten Sonnenlicht, Wasser und CO₂ gewonnen, betonen die Forscher in der Studie „A Monolithic Artificial Leaf for Solar Methanol Production from CO₂ and H₂O“, die im Journal of the American Chemical Society erschienen ist.
Das Herzstück des künstlichen „Blattes“ bilden ein Katalysator und eine Fotoelektrode, die Wang und seine Mitstreiter im Laufe der letzten Jahre entwickelt und kontinuierlich verbessert haben. Sie ermöglichen gemeinsam einen leistungsstarken und effizienten Umwandlungsprozess von natürlichen Ressourcen in den künstlichen Kraftstoff.
Angefangen hat das Projekt mit der Entwicklung des Katalysators 2019. Er ist in der Lage, Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Elektrizität in Methanol umzuwandeln. Dabei handelt es sich um einen heterogenen molekularen Elektrokatalysator. Er besteht aus einem festen Katalysatormaterial, das in einem flüssigen Elektrolyten arbeitet. Deshalb auch die Bezeichnung als heterogen. Das aktive Zentrum des Katalysators umfasst eine Molekülstruktur, daher molekular.
Einzelne Moleküle von Kobaltphthalocyanin oder Derivate davon sind auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhrchen platziert, die aus aufgerollten Graphenschichten bestehen. Wie die Forscher ausführen, funktionieren diese Nanoröhrchen für die Elektronen wie eine Autobahn. Die katalytischen Zentren können so schnell und kontinuierlich mit Elektronen versorgt werden, was eine Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol ermöglicht. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Sechs-Elektronen-Reduktion. Bei dem Prozess werden sechs Elektronen in ein Kohlendioxidmolekül injiziert. Bei bisherigen Prozessen mit molekularen Katalysatoren sei die Elektronenzufuhr beschränkt gewesen, sodass der damit stattfindende Zwei-Elektronen-Reduktionsprozess lediglich eine Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid ermöglichte.
Wangs Mitstreiter, Bo Shang, Studierender und Doktorand an der Graduate School of Arts and Sciences der Yale University, entwickelte eine Fotoelektrode, die im Kern aus einer Anordnung von Silizium-Mikrosäulen besteht, die mit Fullerenkohlenstoff beschichtet sind. Diese Struktur hat eine günstigere Geometrie für die Ladungserzeugung und -trennung. Sie weist außerdem eine maßgeschneiderte Grenzfläche für den Elektronentransfer und eine größere Oberfläche für den Katalysator auf. Dadurch ergibt sich eine insgesamt effizientere fotoelektrische Umwandlung von CO₂ zu Methanol auf Siliziumbasis.
Nach Angaben der Wissenschaftler erfolgt der Umwandlungsprozess 32-mal effizienter als bei anderen bisher entwickelten Verfahren. Auch sei es vermutlich möglich, das künstliche „Blatt“ so zu skalieren, dass eine Produktion im größeren Maßstab möglich ist.
Die Forschungsarbeit erfolgt im Rahmen eines Forschungsprojektes des Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE). Dem vom Bund in den USA geförderten Forschungszentrum für Solarenergie gehören insgesamt sieben Forschungseinrichtungen an. Es ist an der University of North Carolina – Chapel Hill (UNC Chapel Hill) angesiedelt. Neben Forschern der Yale University sind etwa Wissenschaftler der North Carolina State University-Raleigh, der UNC Chapel Hill und der University of Pennsylvania beteiligt.
(olb)