Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory haben in Zusammenarbeit mit mehreren akademischen Partnern bedeutende Fortschritte bei der künstlichen Photosynthese vorgestellt und die Fähigkeit nachgewiesen, CO₂ in wertvolle Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Ethylen umzuwandeln.
Die kürzlich in Nature Catalysis veröffentlichte Studie stellt ein neuartiges System vor, das nanostrukturiertes Kupfer und Perowskitmaterialien nutzt, um die Lichtabsorption von Chlorophyll, dem grünen Pigment der Pflanzen, nachzuahmen. Dieser innovative Ansatz stellt nicht nur einen bedeutenden Fortschritt in der Energieforschung dar, sondern trägt auch zu umfassenderen Nachhaltigkeitszielen bei, da er lediglich Sonnenlicht, CO₂ und Wasser verwendet.
Das neue System integriert Perowskit-Materialien, die für ihre Wirksamkeit in der Photovoltaik bekannt sind, mit einzigartigen „Nanoflower“-Kupfer-Elektrokatalysatoren. Dieses Design ist von natürlichen Enzymen inspiriert, die die Photosynthese fördern und so die Funktionalität des Geräts verbessern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallkatalysatoren ermöglicht das Kupferdesign die Synthese komplexerer Kohlenwasserstoffe mit zwei Kohlenstoffatomen, die für die Herstellung verschiedener Kraftstoffe und Chemikalien unerlässlich sind. Dieser Durchbruch erweitert die Möglichkeiten der sauberen Energieerzeugung und ebnet den Weg für die Entwicklung umweltfreundlicher Materialien ohne zusätzliche Kohlenstoffemissionen.
Diese Forschung ist ein wesentlicher Bestandteil der Liquid Sunlight Alliance (LiSA) , einer Kooperationsinitiative des US-Energieministeriums. LiSA fördert Fortschritte bei solaren Brennstoffen durch interdisziplinäre Forschung und vereint über 100 Wissenschaftler verschiedener Institutionen, darunter das California Institute of Technology und das National Renewable Energy Laboratory. Mit dem Fokus auf die Integration theoretischer Modelle und experimenteller Echtzeitdaten will LiSA die Entwicklung von Solarbrennstofftechnologien beschleunigen. Seit ihrer Gründung im Jahr 2020 hat LiSA Verbesserungen bei der Geräteperformance und der Materialbeständigkeit ermöglicht – entscheidende Faktoren für die Skalierbarkeit solcher innovativer Systeme.
Peidong Yang (rechts) und Jia-An Lin, eine Doktorandin, verwendeten Bleihalogenid-Perowskit-Photoabsorber, die das lichtabsorbierende Chlorophyll eines Blattes imitieren, sowie Elektrokatalysatoren aus Kupfer, die winzigen Blüten ähneln. (Bildnachweis: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)
Peidong Yang, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab und Co-Autor der Studie, betonte, dass frühere Versuche zur künstlichen Photosynthese oft auf biologischen Materialien beruhten, die Einbeziehung von Kupfer jedoch die Haltbarkeit und Stabilität des Systems verbessere. Yangs Team konzentriert sich nun darauf, die Effizienz dieser künstlichen Blatttechnologie zu steigern und ihre Größe zu vergrößern, was für die Skalierung des Systems für praktische Anwendungen entscheidend sein wird.
Diese Forschung bringt Wissenschaftler nicht nur der Nachbildung der natürlichen Produktivität von Blättern näher, sondern eröffnet auch neue Wege für die Entwicklung nachhaltiger chemischer Produktionsmethoden. Die Ergebnisse stellen nicht nur einen Schritt in Richtung effizienter Kohlenstoffnutzung dar, sondern zeigen auch eine mögliche Zukunft auf, in der Energieerzeugung und Umweltverantwortung Hand in Hand gehen, um den globalen Energiebedarf zu decken und gleichzeitig die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern.
