Stellen Sie sich Tankstellen mit Kraftstoffpumpen vor, die die Sonnenenergie zur Produktion von Kraftstoffen nutzen – indem sie den Prozess nachahmen, mit denen Pflanzen ihre eigene Nahrung herstellen. EU-finanzierte Wissenschaftler machten große Fortschritte bei der Entwicklung von Solartechnik, mit der Kohlendioxid (CO2) in Solarkraftstoff umgewandelt wird, was die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren würde.
Die Nachahmung des natürlichen Prozesses der Photosynthese verspricht großes Potenzial für die Erfüllung des weltweit wachsenden Energiebedarfs bei gleichzeitiger Minimierung des Klimawandels. Vor allem könnte die künstliche Photosynthese einen Weg bieten, um die Energie der Sonne einzufangen und sie für die spätere Verwendung zu speichern.
Als ein Versuch, Systeme zu schaffen, die Prozesse aus der Natur imitieren, umfasst die künstliche Photosynthese Katalysatoren für die Wasseroxidation und H+/CO2-Reduktion sowie einen Photosensibilisator, der den gesamten Prozess in Gang setzt. Im Rahmen von PHOTOCO2 (Photocatalytic reduction of carbon dioxide into fuels) entwickelten Wissenschaftler eine effiziente Photokathode bestehend aus einem Photosensibilisator, einem Halbleiterträger und einem Katalysator für die H+/CO2-Reduktion. Ziel war es, die Kinetik des Elektronentransfers zwischen zwei Flächen von Hybridsystemen, die aus molekularen Katalysatoren für die Proton- oder CO2-Reduktion bestehen und auf nanostrukturierten Halbleitern immobilisiert wurden, zu studieren.
Die photokatalytische Reduktion von H2 mit Hilfe molekularer Katalysatoren kann erreicht werden, indem Katalysatoren mit Elektronen aus einem angeregten Photosensibilisator mit entsprechender Energie beliefert werden. Um die H2-Reduktion zu demonstrieren, sensibilisierten die Wissenschaftler die Nanopartikel des Titandioxids (TiO2)-Halbleiters und einen molekularen Katalysator mit einem rutheniumbasierten Farbstoff. Dieses System kann in Wasser und in Gegenwart eines Elektronendonors H2 mit Quantenausbeute von bis zu 10% erfolgreich herstellen. Sie zeigten auch, dass das oxidative oder reduktive Löschen des Farbstoffs den Elektronentransfer vom Photosensibilisator zum molekularen Katalysator ermöglicht.
Im Anschluss an die Studien zur Protonenreduktion koppelte das Team einen Katalysator aus Cyclam-Gruppen mit Carbonsäuregruppen und befestigten ihn an einem Halbleiter, um die CO2-Reduktion zu demonstrieren. In diesem Fall wurde die Elektronenübertragung beschleunigt.
Die Wissenschaftler berichteten, dass durch das Anbringen des Re(bpy)(CO)3L-Katalysators auf der TiO2-Halbleiteroberfläche eine 10-fache Steigerung der Effizienz der Katalyse der CO2-Reduktion erreicht werden konnte. Andere Studien enthalten Vergleiche mit der Befestigung molekularer Katalysatoren auf TiO2-Nanopartikeln und Metallnanopartikeln.
Wissenschaftler führten bahnbrechende Studien durch, um die Faktoren für die Effizienz von Katalysator-Halbleiter-Hybridsystemen zu identifizieren. Da die CO2-Reduktion zu hochwertigen Chemikalien wie Methanol führt, die in Kraftstoff umgewandelt werden können, versprechen die Projektergebnisse ein großes Potenzial für eine zukünftige künstliche solargetriebene Kraftstofferzeugung.
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