UPNA-Forscher wandelt CO2 mit Sonnenlicht in Methan um

UPNA-Forscher wandelt CO2 mit Sonnenlicht in Methan um

Ein Forscher des Instituts INAMAT2 an der Universidad Pública de Navarra (UPNA) hat Kohlendioxid in erneuerbares Methan umgewandelt, wobei das Sonnenlicht als einzige Energiequelle diente. Die Reaktion ist nicht neu: Es handelt sich um die Sabatier-Reaktion aus dem Jahr 1902, bei der CO2 mit Wasserstoff zu Methan und Wasser reagiert. Laut dem Forscher liegt die Neuerung jedoch in der Energiequelle: Das Sonnenlicht ersetzt zumindest teilweise die zusätzliche Wärmezufuhr. Die Arbeit basiert auf der Photothermokatalyse, einer Disziplin, die die Sonnenenergie nutzt, um den Katalysator zu erwärmen und gleichzeitig seine Elektronen anzuregen.

Was ist Photothermokatalyse und warum ist sie wichtig?

Photothermokatalysatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie die gesamte Sonnenenergie nutzen, um sich selbst zu erwärmen — thermische Beiträge — und um die Anregung ihrer Elektronen zu induzieren — photochemische Beiträge. Beide Prozesse begünstigen die chemische Reaktion. Die Unterscheidung dieser beiden Prozesse unter Beleuchtung ist für die Optimierung des Designs entscheidend und war eines der Hauptziele der Doktorarbeit. Der Entwickler hat eine Methode zur Differenzierung der photochemischen und thermischen Beiträge des Prozesses erarbeitet.

Der finale Proof-of-Concept wurde im Freien durchgeführt. Die auf Ruthenium und Nickel basierenden Katalysatoren wurden konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt, um die Sabatier-Reaktion auszulösen. Dabei entstand Methan aus Kohlendioxid ohne zusätzliche Energiezufuhr zur Erreichung der Reaktionstemperatur, was normalerweise durch externe Wärme erfolgt.

Das Problem mit Ruthenium: 40 Tonnen jährlich und eine Million Euro pro Kilo

Ruthenium ist das 78. häufigste Element in der Erdkruste und kommt in etwa 100 Teilen pro Milliarde vor. Es tritt zusammen mit anderen Platingruppenmetallen in den Uralgebirgen sowie in Nord- und Südamerika auf und wird in kommerziell relevanten Mengen aus Pentlandit in Sudbury, Ontario, sowie aus Pyroxenit-Lagerstätten in Südafrika gewonnen. Die weltweite Produktion liegt bei rund 40 Tonnen pro Jahr — genug für einen LKW — und der Preis beträgt knapp eine Million Euro pro Kilogramm. Der Großteil der Reserven befindet sich in Südafrika und möglicherweise in Russland.

Kritiker argumentieren, dass die Schlagzeile „nur mit Sonnenlicht“ die Abhängigkeit von einem seltenen und teuren Metall verschleiert. Dem wird entgegengehalten, dass der Katalysator ein Ausgangsmaterial und kein tägliches Verbrauchsgut ist und sich die Forschung noch im Laborstadium befindet. Die optimistischste Berechnung geht davon aus, dass Ruthenium zurückgewonnen und wiederverwendet wird; das pessimistische Szenario erwartet explodierende Preise bei industrieller Nutzung.

Ist es Photosynthese oder etwas anderes?

Im strengen Sinne ist es keine Photosynthese. Diese lautet 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2, wobei C6H12O6 Glukose ist. Die Reaktion des Forschers nutzt ebenfalls CO2 und Wasser, um einen Kohlenwasserstoff, nämlich Methan, zu erzeugen, aber der chemische Prozess unterscheidet sich. Photosynthese bedeutet Synthese mittels Photonen; folgt man dieser wörtlichen Definition, handelt es sich durchaus um eine Form der künstlichen Photosynthese. Der Begriff dient als populärwissenschaftliche Etikette, nicht als rigorose chemische Beschreibung.

Eine Analyse weist darauf hin, dass die Entdeckung nicht neu ist: 2023 entwickelte ein Team der City University of Hong Kong gemeinsam mit Partnern ein stabiles künstliches photokatalytisches System, das CO2 in Wasser zu Methan umwandelt und effizienter ist als die natürliche Photosynthese. Der Unterschied liegt in der Methode zur Trennung der photochemischen und thermischen Beiträge sowie in der Integration in Mikrorreaktoren, die per 3D-Druck hergestellt werden.

Vom Labor zum Panel: Mikrorreaktoren und 3D-Druck

Der vorgeschlagene hybride Photokatalysator basiert auf metallorganischen Gerüsten (MOF), die aus Halbleiteroxiden synthetisiert wurden, um die Adsorption der Reaktanten und die photochemischen Eigenschaften standardmäßiger Photokatalysatoren zu verbessern. Verschiedene Metall-Nanopartikel dienen als Co-Katalysatoren zur Förderung der chemischen Reaktionen. Dieses Hybridmaterial wird in Mikrorreaktoren integriert, die nach 3D-Druck-Protokollen gefertigt sind, und zu Zellen oder Panels zusammengesetzt, die heutigen Photovoltaikmodulen ähneln.

Das produzierte Methan dient der Verbrennung und wird nicht in die Atmosphäre freigesetzt. Dies schließt den Kreislauf: CO2 und Wasser gehen hinein, Methan und Wasser kommen heraus, und das Methan wird verbrannt, um Energie und wieder CO2 zu erzeugen. Das Problem ist, dass Methan laut Branchenangaben den Treibhauseffekt von CO2 um das 72-fache übertrifft. Jede Leckage im Prozess hätte daher eine weitaus größere Klimawirkung als das Gas, das recycelt werden soll.

Thermodynamik und grundsätzlicher Skeptizismus

Max Planck, gestützt auf die Arbeiten von Kelvin und Clausius, würde widersprechen: Es ist unmöglich, eine Maschine zu bauen, die in einem regelmäßigen Zyklus nur Arbeit verrichtet, indem sie eine Last hebt und dabei eine Wärmequelle abkühlt. Die Sabatier-Reaktion verletzt die Thermodynamik nicht, verbraucht aber Wasserstoff, der erst produziert werden muss. Wasserstoff ist flüchtiger als Methan und daher schwieriger verlustfrei zu transportieren und zu speichern.

Die offene Frage bleibt die Effizienz. Es muss sich zeigen, wie das elektrische Wirkungsgrad oder die Kraft-Wärme-Kopplung im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikzellen abschneidet. Erst wenn höhere Effizienz, bessere Haltbarkeit und ein ähnlicher oder niedrigerer Preis als bei Solarpanelen erreicht sind und die Technologie kommerzialisiert wird, lässt sich beurteilen, ob es sich um eine Revolution oder nur um eine Pressemitteilung handelt. Bislang hat der Forscher seine Katalysatoren ins Freie gestellt und Methan mit Sonnenlicht erzeugt. Das haben Pflanzen bereits seit Tausenden von Jahren getan.