Sichtbare Lichtenergie ergibt ein Zwei-zu-Eins-Angebot, wenn sie dem Kohlendioxid-Recyclingprozess hinzugefügt wird

Durch die Kombination von sichtbarem Licht und Elektrochemie haben Forscher die Umwandlung von Kohlendioxid in wertvolle Produkte verbessert und sind auf eine überraschende Entdeckung gestoßen. Das Team stellte fest, dass sichtbares Licht eine wichtige chemische Eigenschaft namens Selektivität erheblich verbesserte und neue Wege nicht nur für die CO2-Umwandlung, sondern auch für viele andere chemische Reaktionen eröffnete, die in der Katalyseforschung und der chemischen Herstellung eingesetzt werden.

Eine Möglichkeit, wie Chemiker CO2 in wertvolle Produkte recyceln, ist ein Prozess namens elektrochemische Reduktion, bei dem ein CO2-Gasstrom durch eine Elektrolysezelle geleitet wird, in der CO2 und Wasser in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt werden, die dann zur Herstellung neuer Produkte verwendet werden können Kohlenwasserstoffprodukte, sagte Prashant Jain, Chemieprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign.

„Allerdings verläuft die Reaktion träge und der Prozess erfordert große Elektroden, die viel teures Katalysatormaterial wie Gold oder Kupfer enthalten. Deshalb hat unser Labor nach Möglichkeiten gesucht, den Prozess zu beschleunigen, sodass weniger Katalysatormaterial erforderlich ist, was ihn zu einem …“ „Das ist eine praktikablere Option für die alternative Kraftstoffindustrie“, sagte Jain.

Die neue Studie unter der Leitung von Jain und dem ehemaligen Doktoranden Francis Alcorn und veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbeschreibt eine Methode, die die Wirkung von sichtbarem Licht mit Elektroden kombiniert, die mit Nanopartikeln aus einer Gold-Kupfer-Legierung beschichtet sind, um eine viel höhere CO2-Reduktion zu induzieren und eine kontrolliertere Selektivität als bei aktuellen Methoden zu ermöglichen.

„Diese neuen Elektroden wirken wie winzige Antennen, die Photonen im sichtbaren Lichtbereich aufspüren und sie mit dem chemischen Reaktionsweg koppeln“, sagte Jain.

Im Labor werden die Elektroden in eine Lösung aus CO2, Wasser und einem Elektrolyten getaucht, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Das Team legt dann eine Spannung an die Elektrode an, während ein Laser mit sichtbarem Licht ihre Oberfläche beleuchtet. Die resultierende Reaktion erzeugt schnell Kohlenmonoxid – durch die Spaltung des CO2 – und Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wassermolekülen entsteht.

„Wir waren sehr gespannt auf die Steigerung der Produktivität bei der Verwendung von sichtbarem Licht. Allerdings hatten wir nicht damit gerechnet, dass die Verwendung von sichtbarem Licht einen großen Einfluss auf die chemische Selektivität haben würde, was hier den wichtigen Fortschritt darstellt“, sagte Jain.

In der Katalyse ist chemische Selektivität die Fähigkeit einer chemischen Reaktion, einen bestimmten Weg- oder Molekültyp gegenüber einem anderen zu bevorzugen oder gezielt einzusetzen. In dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass die Wasserspaltungsreaktion, bei der Wasserstoffgas entsteht, durch den Einsatz von Licht selektiv verstärkt wurde. Dies veranlasste das Team, mit Hilfe des Chemieprofessors der Northwestern University, George Schatz, und des Postdoktoranden Sajal Kumar Giri weiter zu experimentieren und ihre Ergebnisse zu modellieren.

„Die Ergebnisse legen nahe, dass sichtbares Licht eine einzigartige Möglichkeit bietet, das Verhältnis von Kohlenmonoxid zu erzeugtem Wasserstoffgas anzupassen, ein entscheidender Faktor für die industrielle Produktion von synthetischem Gas“, sagte Jain. „Diese Erkenntnis ebnet den Weg für eine nachhaltigere und effizientere Energiezukunft.“

Die Verwendung von Licht zur Förderung chemischer Reaktionen sei jedoch nicht unumstritten, sagte Jain. Da die Zugabe von Licht zu einer chemischen Reaktion auch Wärme erzeugt, war es für das Team wichtig, sorgfältige Messungen und Kontrollexperimente durchzuführen, um festzustellen, ob es einfach der Heizeffekt des Lichts war, der zu schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten und Selektivität führte.

„Wir führten Experimente mit und ohne Laser bei genau der gleichen Temperatur durch, die durch Lichtanregung erzeugt wurde, und schlossen eine Erwärmung als Ursache aus“, sagte Jain. „Vielmehr waren elektrische Felder und durch Lichtanregung induzierter gerichteter Ladungsfluss für die gesteigerte Produktivität und erhöhte Selektivität der Wasserspaltung verantwortlich, was in den Simulationen unserer Mitarbeiter erfasst wird.“

Auf dem weiteren Weg muss sich das Team noch einigen Herausforderungen stellen. Beispielsweise führt die wiederholte Verwendung der auf Nanopartikeln basierenden Elektrode im Laufe der Zeit unweigerlich zu einer Verschlechterung, insbesondere in einem für die industrielle Anwendung erforderlichen Maßstabsszenario. Darüber hinaus bedarf die Gesamtenergieeffizienz des Prozesses und des Lichtmanagements weiterer Forschung und Verbesserung.

„Was wir mit dieser Studie herausgefunden haben, zeigt völlig neue Denkweisen über Elektrochemie und Katalyse auf“, sagte Jain. „Durch den Einsatz von Licht steigern wir die Aktivität dieses Katalysators, verändern aber überraschenderweise auch die Selektivität. Dadurch werden neue chemische Wege eröffnet, die unterschiedliche Produkte herstellen. Und warum bei der CO2-Reduktion oder der Wasserspaltung aufhören? Das könnte auf viele angewendet werden.“ andere katalytische Reaktionen, die für die chemische Industrie wichtig sind.