Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.06.2023

Forschende des KIT optimieren künstliche Fotosynthese für die Massenanwendung

Wasserstoff, Kraftstoffe und sogar Trinkwasser effizient auf Dachflächen oder in Solarparks produzieren – das wollen Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihre kanadischen Partner mit kostengünstigen Fotoreaktormodulen ermöglichen. Dabei sind ihnen jetzt wichtige Fortschritte gelungen. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Fachzeitschrift Joule.

Bei der künstlichen Fotosynthese werden chemische Reaktionen mithilfe von Sonnenlicht durchgeführt. Wie beim natürlichen Vorbild werden Photonen dabei von einem fotokatalytisch aktiven Material so absorbiert, dass ihre Energie direkt eine chemische Reaktion antreibt. „Inzwischen sind unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen“, sagt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. Bislang war die Technologie allerdings vor allem im Labor zu finden, weil die Kosten einer Produktion von solarem Wasserstoff schlicht zu hoch waren. Mit einem Konzept für hocheffiziente Fotoreaktorpaneele, die in kostengünstigen Modulen verbaut werden können, ist der Forschungsgruppe nun aber ein entscheidender Schritt in Richtung Praxis gelungen. Den großflächigen Einsatz solcher neuartiger Fotoreaktormodule auf Hausdächern oder in Solarfarmen zur Herstellung von Wasserstoff oder Kraftstoffen hält Kant für eine der großen technologischen Chancen der Menschheit im Kampf gegen die Klimakrise: „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen.“ Kant leitete die Forschungsarbeiten federführend während seiner Promotion bei Professor Roland Dittmeyer am IMVT. Sie sind Teil des Helmholtz-Programms Materials and Technologies for the Energy Transition.

Optimiertes Reaktorkonzept für den Massenmarkt

Ein effizientes Fotoreaktormodul für die praktische Anwendung muss im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Fotokatalysator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss ein Fotoreaktor vorhanden sein, also ein „Behältnis“ für den Fotokatalysator sowie die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion. „Der Fotoreaktor sollte einfallendes Sonnenlicht idealerweise verlustarm zum Fotokatalysator leiten, egal aus welcher Richtung es einfällt, beziehungsweise egal wo am Himmel die Sonne steht“, erklärt Kant. „Wichtig ist außerdem, dass der Fotoreaktor durch seine Struktur und das verwendete Material optimale Betriebsbedingungen für den Fotokatalysator gewährleistet, etwa die richtige Temperatur oder die passende Intensität bei der Absorption von Licht am Fotokatalysator.“ Das von dem Forschungsteam vorgestellte Fotoreaktorkonzept adressiert genau diese doppelte Herausforderung: Es besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen, die für eine hohe Reflektivität mit Aluminium beschichtet werden und ermöglicht sowohl optimale Betriebsbedingungen als auch einen effizienten Transport von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesverlauf. Die Forschenden haben das System mithilfe computergestützter Geometrieoptimierung sowie einem fotokatalytischen Modellsystem entwickelt und konnten es bereits im Labormaßstab demonstrieren.

Kostensenkung durch preiswerte Module

Auf Grundlage einer allgemeingültigen Richtlinie, die von den Forschenden auf Basis einer detaillierten Analyse ihres Reaktorkonzepts erarbeitet wurden, können zukünftige Fotoreaktormodule nun für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegt werden. Eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion ist allerdings nur ein Teil der Herausforderung, um die künstliche Fotosynthese als eine wirtschaftliche Technologie zu etablieren. Für relevante Produktmengen müssen extrem große Flächen mit Fotoreaktorpaneelen bedeckt werden. „Um die Kosten zu senken verwenden wir kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können“, sagt Kant. Nach ersten Berechnungen schätzen die Forschenden den Preis auf ungefähr 22 US-Dollar pro Quadratmeter Fotoreaktormodul.

In weiterführenden Arbeiten unter der Federführung von Anselm Dreher wird in den nächsten Schritten nun am IMVT in Karlsruhe und in der Arbeitsgruppe um Professor Geoffrey Ozin in Toronto ein geeigneter Fotokatalysator entwickelt, der effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Fotokatalysator wird anschließend in die vorgestellten Fotoreaktoren integriert. Ferner umfassen aktuelle Arbeiten Untersuchungen zur Massenproduktion der vorgestellten Paneele. (mhe)

Originalpublikation:
Paul Kant, Shengzhi Liang, Michael Rubin, Geoffrey Alan Ozin, Roland Dittmeyer: Low-cost photoreactors for highly photon/energy-efficient solar-driven synthesis. Joule, 2023.

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 23.06.2023

PFAS – Per- und polyfluorierte Chemikalien – sind wahre Alleskönner. Die fett-, wasser- und schmutzabweisenden Chemikalien kommen in tausenden Varianten vor, zum Beispiel in Kochgeschirr, in Funktionskleidung, in Kosmetika und als Feuerlöschmittel. Leider sind sie auch ein massives Problem für die Umwelt. Denn sie können nicht auf natürlichem Weg abgebaut werden. Polymerchemiker aus dem Saarland und den USA haben nun eine Methode gefunden, wie man PFAS nachhaltig aus dem Wasser entfernen kann.

Ihre Methode haben sie im Fachjournal ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

PFAS sind unglaublich vielfältige Stoffe. Die fluorhaltigen organischen Moleküle sorgen unter anderem dafür, dass Regen von Outdoor-Jacken abperlt, sie stecken in Pappschachteln, in denen Essen verpackt wird, oder sie sind Bestandteil von Löschmitteln und Feuerschutzkleidung. In den 1940er Jahren erstmals eingesetzt, traten die Alleskönner ihren Siegeszug an und durchdringen inzwischen unser gesamtes Leben.

Das ist praktisch. Und belastend für die Natur und den Menschen. Denn die fluorierten Chemikalien sind in der Natur nicht abbaubar. Nachgewiesen sind sie inzwischen überall auf der gesamten Erde – im Wasser, im Boden, in der Luft, in Pflanzen, Tieren und, am Ende der Nahrungskette, im Menschen. Wie schädlich sie sind, ist bisher noch nicht genau klar. Erste Studien in Tierversuchen zeigen aber eine Fortpflanzungsgefährdung. Fest steht jedoch, dass diese Verbindungen in der Natur und in Organismen nichts zu suchen haben, so dass es sinnvoll ist, ihre Dosis möglichst gering zu halten.

Aber los wird man die organischen Moleküle nur mit großem Aufwand, der darüber hinaus die Umwelt und das Klima belastet. Weiterhin muss man diese cleveren Moleküle erst einmal nachweisen. Schon sehr geringe Konzentrationen können in Anwendungen (z.B. als Beschichtung) eine sehr große Wirkung haben. Aus dem Wasser beispielsweise kann man PFAS bisher nur mit speziellen Membranen oder mit der deutlich günstigeren Aktivkohle effektiv herausfiltern. Diese muss man dann allerdings verbrennen oder relativ harschen Bedingungen aussetzen, um die Stoffe endgültig zu vernichten, da man die PFAS nicht mehr aus den Filtern herauslösen kann.

Bis jetzt. Denn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Markus Gallei, Professor für Polymerchemie an der Universität des Saarlandes, und Xiao Su aus Illinois sowie ihren Doktoranden Frank Hartmann (Uni Saar) und Paola Baldaguez (Illinois) haben eine Methode gefunden, wie man PFAS aus dem Wasser entfernen kann und sie im Anschluss gleich wieder freisetzen kann. So können die fluorierten Substanzen nicht nur gesammelt, sondern auch gezielt untersucht und vernichtet werden, und zwar, ohne gleich den Filter verbrennen zu müssen.

Das Geheimnis dahinter ist eine elektrochemische Methode, in der eine bestimmte Gruppe metallhaltiger Polymere, so genannte Metallocene, die Hauptrolle spielen. Die älteste dieser Verbindungen, Ferrocen auf Eisenbasis, wurde 1951 entdeckt, im Anschluss folgten viele weitere Varianten. Frank Hartmann, Markus Gallei und ihr internationales Team haben nun herausfinden können, dass Elektroden aus Ferrocen und – noch viel effektiver – aus einem Cobaltocen, das Frank Hartmann hergestellt hat, die PFAS-Moleküle selbst in winzigsten Mengen aus dem Wasser herausfiltern können.

Der Clou dabei ist jedoch ein anderer: Wenn man Ferro- oder Cobaltocen „schaltet“, also eine elektrische Spannung anlegt, geben sie die PFAS-Moleküle wieder effizient ab. „Und das kann Cobalt deutlich besser als Eisen“, konnte Frank Hartmann beobachten. „Das bedeutet nichts anderes, als dass wir eine Methode gefunden haben, wie man PFAS zum einen aus dem Wasser entfernen kann und darüber hinaus, wie man sie wieder freisetzen kann, so dass man die Elektrode vielfach nutzen kann. Anders als den Aktivkohlefilter, den ich vernichten muss, nachdem die PFAS-Moleküle in ihm hängengeblieben sind, kann ich die Metallocene tausendmal schalten, wenn ich will“, fasst Markus Gallei die Bedeutung der Forschungsarbeit zusammen.

Frank Hartmann, Markus Gallei und ihre Kolleginnen und Kollegen der University of Illinois in den USA könnten damit die Grundlage für weitere Entwicklungen in größerem Maßstab gelegt haben, um die unerwünschten Chemikalien effizient aus dem Wasser der Flüsse und Ozeane herausfiltern zu können.

Originalpublikation:
Investigating the Electrochemically Driven Capture and Release of Long-Chain PFAS by Redox Metallopolymer Sorbents
Paola Baldaguez Medina, Valentina Ardila Contreras, Frank Hartmann, Deborah Schmitt, Angelique Klimek, Johannes Elbert, Markus Gallei, and Xiao Su
ACS Applied Materials & Interfaces 2023 15 (18), 22112-22122

Externer Link: www.uni-saarland.de