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Forschende nutzen Diamanten und Sonnenlicht, um die Verschmutzung durch CO2-Emissionen in Brennstoff und chemische Erzeugnisse zu verwandeln

Diamanten zählen wahrscheinlich zu den härtesten bekannten Materialien, unter Sonnenlicht beginnen sie jedoch Elektronen zu verlieren. Dies erwies sich als Segen für Forschende, die an der Synthese unterschiedlicher Diamantmaterialien arbeiteten, welche genutzt werden können, um Kohlendioxid-Emissionen zu senken, während bei dem Prozess wertvolle Rohstoffe entstehen.

Industrielle Technologien

Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre nimmt stetig zu und dies verursacht viele Bedenken im Hinblick auf die Umweltauswirkungen. Laut Wissenschaftlern ist es wichtig, dass nicht nur keine weiteren Megatonnen von CO2 in die Atmosphäre gepumpt werden, sondern dass auch das bereits dort vorhandene CO2 entfernt wird. Synthetische Diamanten, die Licht ausgesetzt sind, sind ein neuer Ansatz im Kampf gegen den Klimawandel und bieten eine nachhaltigere Versorgung mit Rohstoffen für bestimmte Industriesektoren. Mehrere neuere Studien haben sich zu einem gewissen Grad als erfolgreich in der Nutzung von Diamanten zur Rückgewinnung eines Teils des CO2 in der Atmosphäre erwiesen, um dieses in verwendbare Brennstoffe und chemische Erzeugnisse zu verwandeln. Ein neuartiger Ansatz von Forschenden des EU-finanzierten Projekts DIACAT führt zu einer um zwei Größenordnungen besseren photokatalytischen Effizienz als bestehende Reaktoren mit ähnlichen Prozessen. Die Forschenden demonstrierten erstmals eine komplette Reihe von Diamantzusammensetzungen, welche CO2 unter Verwendung von sichtbarem Licht in Methanol und Formiat abbauen können. Es wurden große Mengen verschiedener Arten nanostrukturierter und dotierter Diamantmaterialien mit funktionellen Gruppen an ihren Oberflächen hergestellt, die eine reproduzierbare Qualität aufweisen. Unterschiedliche aktive Metallkomplexe und Metalloxidbeschichtungen wurden auf ihre photokatalytische Aktivität hin untersucht. Durch die Kombination der besten Materialien und Strukturen vermeldete das Team die Beobachtung der bis dato höchsten photokatalytischen Aktivität in Diamantmaterialien.

Diamanten fungieren als künstlicher Baum

Ähnlich echter Bäume, die CO2, Sonnenlicht und Wasser nutzen, um Nahrung zu erzeugen, fungieren die entwickelten synthetischen Diamantmaterialien als künstlicher Baum, der dieselben Bestandteile nutzt, um Brennstoff und chemische Erzeugnisse zu produzieren. „Wo die Natur die Photosynthese nutzt, um Glukose aus CO2 herzustellen, produzieren wir unter Verwendung umweltverträglicher Lösungsmittel und Sonnenlicht Methanol und Formiat auf einer kohlenstoffbasierten Oberfläche“, bemerkt Projektkoordinatorin Anke Krueger. Das daraus resultierende Methanol ist ein alternativer Biobrennstoff, der für den Betrieb von Fahrzeugen genutzt werden kann. Formiat, das ebenfalls in andere Stoffe abgebaut werden kann, ist ein nützliches Vorläufermaterial, das für die chemische Industrie erforderlich ist.

Die unübertroffenen Eigenschaften von Diamanten

Im Gegensatz zu der weit verbreiteten Annahme sind künstlich hergestellte Diamanten ein Material mit großer Verfügbarkeit. Es kann unter Verwendung eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens aus Methan hergestellt werden. Diamantschichten, die auf Substrate abgelagert werden, sind allgemein verfügbar und ziemlich günstig, sie präsentieren keine Sicherheitsbedenken und sind umweltverträglich. Außerdem haben Diamanten einzigartige Eigenschaften, die bei anderen Halbleitermaterialien nicht vorzufinden sind. Sie besitzen eine sogenannte negative Elektronenaffinität – Elektronen können die Diamantoberfläche ohne zusätzliche Energiebarriere verlassen, wenn sie in das Leitungsband angeregt werden. „Dies ist normalerweise nur möglich, wenn Elektronen durch kurzwelliges ultraviolettes Licht angeregt werden, doch bei DIACAT experimentierten wir mit einem größeren Anteil Sonnenlicht. Wir stellten fest, dass Diamanten Elektronen mit sehr hohem Reduktionspotential emittieren, die Elektronen wiederum können sehr reaktionsträge Moleküle wie CO2 und molekularen Stickstoff reduzieren“, erklärt Krueger. Dieser einzigartige Satz physikochemischer Eigenschaften ermöglichte den Forschenden tatsächlich eine Art künstliches Photosyntheseverfahren zu realisieren, bei dem CO2 mithilfe von Sonnenlicht und Wasser in organische Moleküle umgewandelt wird. Die bahnbrechende Technologie von DIACAT ist ein wichtiger Bestandteil der generellen EU-Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels durch die Beseitigung von CO2 aus der Atmosphäre. Die Technologie wird effizienter an Orten eingesetzt, an denen CO2 in hohen Konzentrationen bereitgestellt wird. Somit sind Kraftwerke, Stahlwerke oder Zementfabriken die bevorzugten Standorte für die zukünftige Implementierung der Technologie.

Schlüsselbegriffe

DIACAT, Diamant, CO2, chemisches Erzeugnis, Brennstoff, Methanol, Formiat, künstliche Photosynthese

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