Mit einem kostengünstigen, solarbetriebenen Fotoreaktor einen Schritt näher an nachhaltige Kraftstoffe heran

Vor etwa einem Jahrhundert, am 27^Th Im September 1912 veröffentlichte Giacomo Ciamician, ein italienischer Chemiker, einen Artikel in der Zeitschrift Wissenschaft Dort stellte er sich eine Welt vor, in der Kraftstoffe durch die Nutzung der Kraft des Sonnenlichts mithilfe der Photochemie – einem Zweig der Chemie, der die Auswirkungen von Licht auf chemische Reaktionen untersucht – hergestellt werden können, anstatt auf veraltete fossile Brennstoffe angewiesen zu sein.

Ironischerweise scheint die Motivation für seine Arbeit eher mit der Sorge zu tun zu haben, dass fossile Brennstoffe nicht unerschöpflich sind, als mit der Sorge vor einem durch Treibhausgase verursachten Klimawandel. Dennoch ist die Weitsicht von Ciamician tiefgreifend!

Heute sind wir der Verwirklichung seiner visionären Idee photochemischer Raffinerien, konkret zur Herstellung solarer Treibstoffe aus Kohlendioxid und Wasser, näher denn je.

Während die grundlegende Wissenschaft zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenlicht im Labor beherrscht wird, ist die optochemische Technik eine wichtige Hürde, die vor der Kommerzialisierung der Technologie überwunden werden muss. Uns fehlen hocheffiziente, leicht skalierbare und leicht erschwingliche solarbetriebene Prozesse im praktischen industriellen Maßstab.

Licht am Ende des Tunnels

Diese Situation wird sich jedoch mit der Entwicklung ändern ein innovativer Photoreaktor Konzept, mit dem kommerziell nutzbare Leistungsindikatoren für eine Vielzahl solarbetriebener Reaktionen erzielt werden können.

Es ist wichtig, Photoreaktoren von solarthermischen Reaktoren zu unterscheiden, die mit sehr hohen Lichtintensitäten und Temperaturen arbeiten. Photoreaktoren zielen darauf ab, das Sonnenlicht besser zugänglich zu machen, insbesondere auf photochemische Umwandlungen, die durch niedrige Temperaturen und geringe Lichtintensität ermöglicht werden, wie z. B. die Wasserstoffproduktion durch photochemische Wasserspaltung, die Methanolsynthese aus Kohlendioxid und Wasser sowie die Ammoniaksynthese aus Stickstoff und Wasser.

Diese Unterscheidung unterstreicht den „solaren Vorteil“ der solarbetriebenen Photochemie. Hier werden Chemie und Katalyse durch Licht initiiert und durch Reaktionen mit photogenerierten Elektronen und Löchern erleichtert. Diese Ladungsträger bevölkern den elektronisch angeregten Zustand des Katalysators und treiben Reaktionen photochemisch voran. Im Gegensatz dazu steht die lichtinitiierte Thermochemie, die im elektronischen Grundzustand des Katalysators arbeitet.

Darüber hinaus nutzt der photochemische Ansatz Relaxationsprozesse, die Phononen im Grundelektronenzustand erzeugen, also Schwingungen der Atome im Katalysator. Diese Phononen manifestieren sich in Form von Wärme, die die photothermische Chemie antreiben kann, einen Prozess, der die photochemische Gesamtleistung des Prozesses verbessert.

Wie in der aktuellen Studie beschrieben, wurde die Herausforderung, einen kostengünstigen und hocheffizienten Photoreaktor bereitzustellen, mit der Entwicklung eines Photoreaktorpanels gelöst, wie es in der Grafik eines integrierten Hauses mit Solarbrennstoffen und Strom dargestellt ist. Diese Dachpaneele können mit etablierten Techniken wie Polymerextrusion und Spritzguss unter Verwendung kostengünstiger und reichlich vorhandener Polymermaterialien in Massenfertigung hergestellt werden.

Die Geometrie des Photoreaktors ist so definiert, dass der Materialbedarf minimal ist, was dazu beiträgt, die Kapitalkosten für die Skalierung des Prozesses zu reduzieren. Ein beeindruckendes Leichtgewicht von ca. 2kg m^–² und geschätzte Gesamtkosten von 22 Mio. $^-2 Sowohl für den Photokatalysator als auch für den Photoreaktor ergeben sich aus dieser Strategie nach einer vorläufigen technoökonomischen Analyse.

Wichtig ist, dass die Geometrie des Photoreaktors optimiert wird, um die photokatalytische Effizienz durch einen simulationsbasierten Freiform-Optimierungsansatz zu verbessern. Bezeichnenderweise hängt die maximale photokatalytische Effizienz nur geringfügig vom Winkel des einfallenden Lichts oder dem Sonnenstand ab, wodurch ein Betrieb ohne Sonnennachführung möglich ist, was sich positiv auf die Gesamtinvestition und die Betriebskosten des Systems auswirkt.

Ein weiteres Merkmal des vorgestellten Photoreaktordesigns ist seine Vielseitigkeit und einfache Anpassungsfähigkeit an eine breite Palette von Photokatalysatoren oder Photoreaktionen. Die Anpassung ist mit Unterstützung der bereitgestellten Photoreaktor-Designrichtlinien einfach und kann auch von Nicht-Experten auf diesem Gebiet durchgeführt werden. Diese einzigartigen Merkmale sind im Stand der Technik, in der offenen Literatur oder in der Patentliteratur ohne Beispiel.

Mithilfe eines 3D-gedruckten Photoreaktor-Prototyps, der in einen Prüfstand mit Sonneneinstrahlungssimulator integriert war, wurde die simulationsbasierte Optimierung experimentell durch Eisenoxalat-Aktinometrie authentifiziert. Bei dieser Methode handelt es sich um eine Art chemische Titration, die mittels Ultraviolett-sichtbarer Spektroskopie den Fluss/die Intensität der absorbierten Photonen quantifiziert, indem sie die Photoreduktion des Eisens von der Oxidationsstufe drei auf zwei überwacht. Diese lichtinduzierte Redoxreaktion ermöglicht die Messung der Absorptionsintensität im Reaktionsvolumen und der erreichten photokatalytischen Effizienz.

Die hervorragende Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnissen und Experimenten unterstützt den Optimierungsansatz, die Simulationsdaten und das Designprinzip des Photoreaktors.

Bemerkenswert ist, dass dieses Design herkömmliche und weit verbreitete Quarzglas-Kapillar-Photoreaktoren hinsichtlich der erreichten photokatalytischen Effizienz um fast das Vierfache übertrifft, was den vorgeschlagenen Ansatz zusätzlich unterstützt.

Der Weg zur Kommerzialisierung

Was das wirtschaftliche Hindernis für die Kommerzialisierung derzeit verfügbarer photochemischer Reaktoren betrifft, hängt dieses Hindernis mit der riesigen Lichtsammelfläche zusammen, die für signifikante Photonen-zu-Produkt-Ausbeuten erforderlich ist, was hohe Kapital-zu-Produkt-Kosten bedeutet.

Darüber hinaus sind hochmoderne Photoreaktoren in der offenen Literatur und in der Patentliteratur tendenziell komplex und teuer, bestehen hauptsächlich aus Prototypen und sind hinsichtlich Kosten und Effizienz nicht optimiert. Dies erhöht die Kosten dieser Technologien weiter.

Das eingeführte kostengünstige und hocheffiziente Photoreaktorkonzept könnte daher einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des Bereichs solarer Brennstoffe leisten.

Natürlich sind hocheffiziente, skalierbare und kostengünstige Photoreaktoren nur ein Teil eines komplexen Puzzles, das zur Lösung der existenziellen Bedrohung durch den Klimawandel erforderlich ist. Die vor uns liegenden technologischen, wirtschaftlichen, ökologischen, politischen und sozialen Herausforderungen, die in den 17 Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen dargelegt sind, müssen gemeistert werden, um eine Netto-Null-Welt zu erreichen. Aus dieser Perspektive gesehen ist die technologische Seite der Gesamtherausforderung nur eine Unterstützung für alle anderen notwendigen Entwicklungen.

Geschrieben von: Geoffrey Ozin, Paul Kant und Roland Dittmeyer

Solar Fuels Group, University of Toronto und Institut für Mikrostrukturtechnik (IMVT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT). E-Mail: [email protected], [email protected]; Websites: http://www.solarfuels.utoronto.ca, http://www.imvt.kit.ed.

Bildnachweis des Beitrags: ActionVance auf Unsplash