Ein internationales Team, zu dem auch Forscher der University of Toronto gehören, hat ein neues Modell für Photoreaktoren entworfen und implementiert, eine solarbetriebene Technologie zur Umwandlung von Wasser, Kohlendioxid, Methan und Stickstoff in umweltfreundlichere Chemikalien und Kraftstoffe.
Das innovative Design ermöglicht es dem Photoreaktor, Photonen bei unterschiedlichen Sonnenrichtungen mit hoher Effizienz einzufangen, sodass keine Sonnennachführung erforderlich ist. Die Platten können auch durch Extrusion von Polymeren hergestellt werden, wodurch sie kostengünstig und leicht in großem Maßstab herstellbar sind – was alles dazu beitragen könnte, eine nachhaltige Zukunft erschwinglicher und praktischer zu machen.
Geoffrey Ozin, Universitätsprofessor am Fachbereich Chemie der Fakultät für Künste und Naturwissenschaften der University of Texas, und sein Team arbeiteten bei dem Projekt mit Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Deutschland zusammen.
„Solarzellen sind dafür bekannt, Sonnenlicht effizient und wirtschaftlich in grünen Strom umzuwandeln und so den Einsatz treibhausgasemittierender fossiler Brennstoffe zu umgehen“, sagt Ozin.
Im Gegensatz zu Thermoreaktoren kombinieren Photoreaktoren die Photonen im Sonnenlicht und Reaktanten, um umweltfreundliche Chemikalien und Kraftstoffe zu erzeugen. Durch die Nutzung von Sonnenlicht und Wasser könnten Photoreaktoren den Kohlenstoffausstoß wirksam reduzieren.
Trotz ihres Potenzials sind viele Photoreaktoren mit mehreren Herausforderungen konfrontiert, darunter den hohen Kosten für Baumaterialien. Sie können auch bei der Umwandlung von Photonen in Produkte ineffizient sein. Um diese photochemischen Umwandlungen durchzuführen, sind Photoreaktoren auf einen Photokatalysator angewiesen, ein Material, das Licht absorbiert und einen Reaktanten in ein Produkt umwandelt.
Allerdings können unproduktive Prozesse aufgrund der Reflexion, Streuung, Transmission und Absorption von Licht durch den Photokatalysator und die Photoreaktormaterialien zu Energieverlusten führen. Fotoreaktoren würden von der Sonnennachführung profitieren, einem Gerät, das den Winkel des Fotoreaktors in Bezug auf den Sonnenstand anpasst, um eine optimale Lichtgewinnung zu erreichen.
Um technologisch und wirtschaftlich rentabel zu sein, muss der Photonen-zu-Produkt-Umwandlungswirkungsgrad der Photoreaktoren mindestens 10 % betragen. Während die Wissenschaft der Integration von Photokatalysatoren in Photoreaktoren zur Herstellung umweltfreundlicher Chemikalien und Kraftstoffe im letzten Jahrzehnt erhebliche Fortschritte erzielt hat, sind die Wirkungsgrade niedrig geblieben – oft bei einem Prozent oder weniger.
Ozins Team und die Gruppe vom KIT – zu der auch der Postdoktorand Paul Kant, Ph.D., gehörte. Der Student Shengzhi Liang, der Forscher Michael Rubin und Professor Roland Dittmeyer entwickelten einen plattenförmigen Photoreaktor, der Hunderte paralleler Reaktionskanäle im Mikromaßstab enthält. Sie veröffentlichten in der Zeitschrift einen Artikel über die vielversprechenden Ergebnisse ihres vorgeschlagenen Modells Joule.
Ein wesentliches Merkmal ihres Designs besteht darin, dass jeder Reaktionskanal mit einer V-förmigen Lichteinfangeinheit verbunden ist, die das Licht in den Kanal leitet, in dem sich der Photokatalysator befindet. Alle Oberflächen sind hochreflektierend, um den Photonentransport von der externen Lichtquelle zum in den Mikrokanälen untergebrachten Photokatalysator mit minimalen Lichtverlusten zu optimieren.
Das innovative Design ermöglicht es dem Photoreaktor, Photonen bei unterschiedlichen Sonnenrichtungen mit hoher Effizienz einzufangen, sodass keine Sonnennachführung erforderlich ist. Die Platten können auch durch Extrusion von Polymeren hergestellt werden, wodurch sie kostengünstig und leicht im großen Maßstab herstellbar sind.
Zukünftige Designanpassungen können das Problem des intermittierenden Sonnenlichts angehen, indem in den Photoreaktor integrierte Leuchtdioden als Photonenquelle verwendet werden, die mit erneuerbarem Strom aus Photovoltaik betrieben und durch einen Lithium-Ionen-Batteriespeicher unterstützt werden, um einen Betrieb rund um die Uhr zu ermöglichen.
Das neue Photoreaktormodell kann bestehende, hochmoderne Photoreaktoren übertreffen und auf Hausdächern und Solarparks eingesetzt sowie in Photovoltaik integriert werden, um sowohl erneuerbaren Strom als auch umweltfreundliche Chemikalien und Kraftstoffe zu erzeugen.
„Diese Technologie hat die Entwicklung einer neuen Generation solarbetriebener Geräte inspiriert, die stattdessen grüne Kraftstoffe wie Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser herstellen“, sagt Ozin.
Der Fortschritt erfolgt zu einer Zeit, in der die Bekämpfung des Klimawandels dringender denn je ist und in diesem Sommer weltweit rekordverdächtige Temperaturen verzeichnet werden.
„Diese Solarprodukte werden ihre fossilen Analoga ersetzen – und dazu beitragen, unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren“, sagt KIT-Forscher Kant.
„Das erhöht direkt die Chancen, dass wir den Traum einer nachhaltig lebenden Menschheit verwirklichen können. Hoffentlich schaffen wir es sogar rechtzeitig – ohne drastische Temperaturüberschreitungen und damit verbundene Katastrophen.“
Mehr Informationen:
Paul Kant et al., Kostengünstige Photoreaktoren für eine hochphotonen-/energieeffiziente solarbetriebene Synthese, Joule (2023). DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.006