Um Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, müssen zunächst die Bindungen zwischen Wasserstoffmolekülen aufgebrochen werden. Herkömmliche Methoden basieren auf Gold, Titan und ultravioletter Strahlung. Die Hydrierung, eine der wichtigsten Reaktionen in der chemischen Industrie, ermöglicht die Herstellung von Kraftstoffen, Kunststoffen und anderen Produkten aus Erdöl. Bei der Hydrierung müssen Wasserstoffmoleküle (H₂) in Wasserstoffatome aufgespalten werden, eine Dissoziationsreaktion. Es gibt zwei Arten der Dissoziation: homolytisch und isolytisch. Beide erfordern Katalysatoren und areolytische Reaktionen, die bei hohen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden. Während die homolytische Dissoziation Vorteile für industrielle Anwendungen bietet, ist sie energieintensiv und gefährlich.

Wasserstoff wird seit fast einem Jahrhundert in der Industrie eingesetzt, spielt eine unersetzliche Rolle in der Petrochemie und anderen Sektoren und gilt als Grundlage der zukünftigen Wirtschaft. Kürzlich haben Forscher eine neue Methode zur Wasserstoff-Isodissoziation entwickelt, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde.

Die Forscher verwendeten Titandioxid mit Goldnanopartikeln (Au/TiO₂) als Katalysator und konnten damit bei Bestrahlung mit nahem Ultraviolettlicht bei einer Wellenlänge von 365 Nanometern Wasserstoff bei Raumtemperatur abspalten. In dem Artikel beschreiben die Chemiker detailliert den Mechanismus der photochemischen Wasserstoffdissoziation: Unter UV-Bestrahlung wandern Elektronen vom Titandioxid zu den Goldnanopartikeln, während Löcher durch Defekte in der Gold-Sauerstoff-Titan-Grenzfläche eingefangen werden und so Elektronen-Loch-Paare bilden, die den Bruch von Bindungen zwischen Wasserstoffatomen stimulieren. Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass die H₂-Dissoziationsaktivität nahezu linear mit der UV-Intensität korrelierte, was bestätigt, dass Licht die Reaktion bei Raumtemperatur katalysiert.

Das Versuchsgerät ist ein Quarzrohr mit einer Höhe von 10 cm, einem Innendurchmesser von 2,5 cm und einem Außendurchmesser von 3 cm. Das Rohr ist mit Quarzsand und einem Gold-Titandioxid-Verbundwerkstoff gefüllt. Die Beleuchtung erfolgt über LEDs mit einer Wellenlänge von 365 ± 5 nm. Das sechseckige Beleuchtungspanel umschließt den Rohrkörper. Zur Temperaturkontrolle wird ein Haartrockner unter das Rohr gelegt.

Das Verfahren des Teams reduziert inertes Kohlendioxid bei Raumtemperatur zu Ethan, das anschließend photokatalytisch dehydriert wird, um Ethylen zu produzieren. Nach 1.500 Stunden UV-Bestrahlung erreichte die Reaktion eine effektive Ausbeute von über 99 %. Die Methode funktioniert auch im Sonnenlicht, da das Sonnenstrahlungsspektrum die notwendigen UV-Wellenlängen enthält.

Diese Ergebnisse geben den Wissenschaftlern Hoffnung, dass die Methode nicht nur in der wissenschaftlichen Forschung, sondern auch in der industriellen Produktion anwendbar ist, und sie sehen Möglichkeiten, sie in eine skalierbare Technologie umzuwandeln, um die chemische Produktion mithilfe von Sonnenlicht oder photothermischer Strahlung zu modernisieren.