Ethylen: Umweltneutraler Sprit gut fürs Klima

Kontrolle des Wachstums von Galliumnitrid-Nanodrähten (Foto: Silvia Cardarelli, umich.edu)

An Arbor (pte018/02.10.2024/12:30) - Mithilfe von künstlicher Photosynthese haben Forscher der University of Michigan ( https://umich.edu/ ) aus CO2 und Wasser mit beispielloser Effizienz Ethylen hergestellt. Im Wesentlichen wird dieser auch als Ethen bezeichnete Kohlenwasserstoff zur Herstellung von Kunststoffen genutzt und ersetzt Erdöl. Ethen ist auch Ausgangsmaterial für Ethanol, das als umweltneutraler Treibstoff genutzt oder direkt in Staustrahltriebwerken für Überschallflug- und -raumfahrzeuge eingesetzt werden kann.

Nanodrähte fangen Sonnenlicht ein

"Ethylen ist die am häufigsten produzierte organische Verbindung der Welt. Normalerweise wird dieses Gas aus Erdöl oder Erdgas unter hohen Temperaturen und Drücken hergestellt, wobei große Mengen an CO2 entstehen", sagt Chemiker Zetian Mi. Die Energie, die für das neue umweltneutrale Verfahren benötigt werde, liefere das Licht der Sonne, ersatzweise Leuchtdioden, die das gleiche Spektrum erzeugen.

Das Gerät absorbiert Licht durch einen Wald aus Galliumnitrid-Drähten, die jeweils nur 50 Nanometer (einige hundert Atome) breit sind, und der Siliziumbasis, auf der sie gewachsen sind. Die eigentliche Reaktion, bei der Wasser und CO2 in Ethen umgewandelt werden, findet auf Kupferclustern statt, die jeweils etwa 30 Atome umfassen.

Störender Sauerstoff wird gebunden

Das Team taucht die Nanodrähte in Wasser ein, das mit CO2 angereichert ist, und bestrahlt es mit Sonnenlicht. Dessen Energie setzt Elektronen frei, die das Wasser in der Nähe der Oberfläche der Galliumnitrid-Nanodrähte spalten. Dadurch entsteht Wasserstoff, der in die Ethenreaktion einfließt. Den bei der Wasserspaltung entstehenden Sauerstoff, der die Ethen-Produktion behindern würde, absorbiert das Galliumnitrid, sodass es zu Galliumnitridoxid wird, das nach einer gewissen Zeit regeneriert werden muss.

Der Wasserstoff sucht die Nähe des Kupfers, das zudem als Katalysator für die Abspaltung eines Sauerstoffatoms fungiert, sodass aus CO2 Kohlenstoffmonoxid (CO) wird. Jetzt wird die Sonnenenergie erneut aktiv: Sie liefert die Energie zum Verschmelzen des CO mit dem Wasserstoff zu Ethen, das aus vier Wasserstoff- und zwei Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Das Gerät lief bereits 3.000 Stunden lang ohne Unterbrechung. Es produzierte Ethen mit einer vierfach höheren Effektivität als vergleichbare Entwicklungen anderer Teams.

Oberstes Ziel von Mi sind flüssige Treibstoffe, die sich leicht transportieren und tanken lassen und Straßen-, Wasser- und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge klimaneutral machen, wobei es beim Luftverkehr Einschränkungen wegen der Kondensstreifen gibt, die sich durch den bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf bilden.

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