In einer Studie veröffentlicht in National Science ReviewForscher des Instituts für Erdumwelt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben zusammen mit Mitarbeitern den Ladungsspeichermechanismus von Nanomaterialien auf Wolframbasis für die wetterunabhängige Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) genutzt.
Die Entwicklung der CO2-Umwandlungstechnologie in wertvolle Produkte ist eine große Chance für die koordinierte Entwicklung der chinesischen Wirtschaft und des ökologischen Umfelds, bei dem es sich um einen typischen Negentropieprozess handelt, der einen erheblichen Energieeinsatz erfordert. Allerdings ist die Abhängigkeit des solarbetriebenen CO2-Umwandlungsprozesses von der Sonneneinstrahlung ein limitierender Faktor für seine praktische Umsetzung, da nachts und an bewölkten oder regnerischen Tagen zeitweise Sonneneinstrahlung verfügbar ist.
Darüber hinaus besteht ein Missverhältnis zwischen der Verfügbarkeit von Solarenergie und der Nachfrage nach ihrer Nutzung, die durch Schwankungen der Tageslichtstunden und meteorologischen Bedingungen beeinflusst wird. Daher ist die Entwicklung einer Strategie, die die CO2-Reduktion von den Einschränkungen der Verfügbarkeit von Solarenergie entkoppelt, von entscheidender Bedeutung, um eine kontinuierliche CO2-Umwandlung bei jedem Wetter zu erreichen.
In dieser Studie entwickelten die Forscher ein neuartiges Modellmaterial, Pt-beladenes hexagonales Wolframtrioxid (Pt/h-WO3), um helle und dunkle Reaktionsprozesse durch Nachahmung der natürlichen Photosynthese zu entkoppeln.
Die einzigartigen Eigenschaften des WO3-Trägers, einschließlich seiner Fähigkeit, zwischen Valenzzuständen (W6+/W5+) und seinen Tunnelstrukturen zu wechseln, in Kombination mit der Fähigkeit von Pt, Wasser zu spalten und Wasserstoffatome auf die h-WO3-Oberfläche zu übertragen, sind der Schlüssel zum Erreichen der Entkopplung von Hell- und Dunkelreaktionen zur CO2-Umwandlung.
Als der Katalysator 10 Minuten lang simuliertem Sonnenlicht ausgesetzt wurde, zeigte er seine Fähigkeit, die Umwandlung von CO2 in Methan (CH4) auch im Dunkeln aufrechtzuerhalten, und markierte damit das erste Mal, dass ein einzelnes Material unter allen Bedingungen eine ununterbrochene CO2-Umwandlung erreichte.
Aufbauend auf den Eigenschaften dieses Materials bauten die Forscher auch eine Testanlage im Freien und führten einen 15-tägigen Dauertest bei natürlichem Licht durch. Die von der Testanlage im Freien gesammelten Daten zeigten, dass der CO2-Reduktionsprozess nachts und während Regenperioden fortgesetzt werden konnte, was eine erfolgreiche CO2-Umwandlung bei jedem Wetter mit einem erneuerbaren Ansatz beweist.
Dieser Forschungsansatz hat das Potenzial, kritische technologische Engpässe bei der Erzielung einer kontinuierlichen solaren CO2-Nutzung zu überwinden.
Mehr Informationen:
Xianjin Shi et al., Nachhaltige CO2-Nutzung bei jedem Wetter durch Nachahmung der natürlichen Photosynthese in einem einzigen Material, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad275