de.wedoany.com-Bericht: Forscher der University of Nottingham haben ein solarbetriebenes Katalysatormaterial entwickelt, das mit einem einzigen Photon gleichzeitig Kohlendioxid reduzieren und organische Abfälle oxidieren kann, wodurch in beiden Reaktionen wertvolle Chemikalien entstehen. Die Ergebnisse wurden in der Nature-Publikationsgruppe Communications Materials veröffentlicht.
Dieser biasfreie photoelektrochemische (PEC) Reaktor besteht aus zwei verbundenen Kammern, die jeweils mit dem neu entwickelten Katalysator ausgestattet sind. Wenn Sonnenlicht auf eine der Kammern trifft, treibt jedes Photon die Oxidation eines Biomoleküls an. Die dabei freigesetzten Elektronen wandern in die zweite Kammer, wo Kohlendioxid (CO₂) zu Formiat reduziert wird. Der gesamte Prozess erzeugt aus der Energie eines einzigen Photons zwei nützliche Produkte: eine Chemikalie aus Treibhausgas, die in Textilien, Farben und Arzneimitteln weit verbreitet ist, und eine Vorstufe aus Biomasse, die zur Herstellung der nächsten Generation biobasierter Kunststoffe verwendet werden kann.
Dr. Madasamy Thangamuthu, Forschungsassistent an der School of Chemistry der University of Nottingham und Entwickler des PEC-Reaktors und des Katalysators, erklärte, dass der Kern des Prozesses eine nanostrukturierte Photoanode aus Kohlenstoffnitrid- und Wolframoxid-Halbleitern sei, die mit einer Kobaltoxidschicht verstärkt und mit einer Kathode in der zweiten Kammer gekoppelt sei. Wenn ein Photon des Sonnenlichts auf die Photoanode trifft, wird der Prozess gestartet, wodurch ein Elektron erzeugt wird, das zur Kathode wandert, um CO₂ zu reduzieren, während das verbleibende Loch auf der Photoanode gleichzeitig 5-Hydroxymethyl-2-furancarbonsäure (HMFA)-Moleküle oxidiert.
Tests zeigten, dass dieser PEC-Reaktor eine Effizienz von etwa 93 % bei der Umwandlung von CO₂ in Formiat und etwa 95 % bei der Oxidation von Biomasse erreicht, was eine hocheffiziente Nutzung der Photonenenergie belegt. Da die Umwandlung ausschließlich durch Sonnenenergie angetrieben wird und keine zusätzliche Wärme- oder Stromeinspeisung erfordert, bietet dieses Verfahren einen neuen Weg zur nachhaltigen Chemikalienherstellung.
Dr. Vincenzo Taresco, Assistenzprofessor an der School of Chemistry, wies darauf hin, dass die nachhaltige Polymerproduktion eine der zentralen Herausforderungen der Gegenwart sei. Obwohl die Materialchemie rasche Fortschritte mache, seien dennoch neue Strategien erforderlich, um Reaktionen effizient anzutreiben. Der saubere Prozess, der Sonnenlicht nutzt, stelle sicher, dass nachhaltige Energie die nachhaltige Chemie vorantreibt.
Die vom Team der University of Nottingham entwickelten Katalysatoren unterscheiden sich von vielen bestehenden Katalysatoren, die auf teure oder seltene Materialien angewiesen sind. Diese neuartigen Katalysatoren bestehen aus auf der Erde reichlich vorhandenen Elementen und eignen sich daher besser für eine großflächige Anwendung. Eine Lebenszyklusanalyse bestätigte zudem die Umweltvorteile dieses Prozesses und unterstreicht sein Potenzial für die kohlenstoffarme Chemikalienherstellung. In Zukunft könnte dieses Katalysatorsystem auf industrielle Anwendungen hochskaliert werden.
Dr. Jesum Alves Fernandes, außerordentlicher Professor an der School of Chemistry und Experte für heterogene Katalyse, betonte, dass die Herstellungsmethode des Katalysators für den zukünftigen Erfolg dieser Technologie entscheidend sei. Die einzigartige Methode des Teams zur Anordnung von Metallatomen auf Oberflächen – mit maßgeschneiderter Größe, Form und Zusammensetzung – sei entscheidend, um diese Arbeit auf andere chemische Prozesse auszuweiten und die CO₂-Nutzung weiter zu verbessern. Das Team hatte zuvor bereits über die Anordnung von Katalysatoren aus einzelnen Atomen auf Oberflächen berichtet, um hocheffiziente Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion und die Umwandlung von CO₂ in Methanol herzustellen.
Die Forscher sind der Ansicht, dass dieses Verfahren weiterentwickelt und mit industriellen CO₂-Quellen und Bioraffinerien integriert werden könnte, um eine dezentrale, nachhaltige Chemikalienproduktion zu ermöglichen. Professor Andrei Khlobystov, Professor für Nanomaterialien an der School of Chemistry, erklärte, dass diese Entdeckung neue Möglichkeiten eröffne, Sonnenlicht direkt einzufangen und gleichzeitig zwei globale Herausforderungen zu bewältigen.
Diese Arbeit wird durch das EPSRC-Programm „Metal Atoms on Surfaces and Interfaces for a Sustainable Future (MASI)“ gefördert und stellt einen wichtigen Schritt zur Verringerung der Abhängigkeit von teuren Metallen bei der Wasserstoffproduktion dar, was zu einer Kreislauf- und kohlenstoffarmen Wirtschaft beiträgt.
Dieser Artikel wurde von Wedoany übersetzt und bearbeitet. Bei jeglicher Zitierung oder Nutzung durch künstliche Intelligenz (KI) ist die Quellenangabe „Wedoany“ zwingend vorgeschrieben. Sollten Urheberrechtsverletzungen oder andere Probleme vorliegen, bitten wir Sie, uns unverzüglich zu benachrichtigen. Wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend anpassen oder löschen.
E-Mail: news@wedoany.com
