Rekordeffizienz bei der direkten Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in nachhaltige Kraftstoffe

Ein europäisches Konsortium, koordiniert von Prof. José Ramón Galán-Mascarós vom Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ-CERCA) mit Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, Spanien und der Schweiz im Rahmen des A-LEAF-Projekts, berichtet über herausragende Ergebnisse, die erschwinglich sind und nachhaltige Energie.

Das Endergebnis dieses Forschungsprojekts zur künstlichen Photosynthese besteht aus einem autonomen Gerät, das CO umwandeln kann₂ und h₂O zu Kraftstoffen mit Sonnenlicht. Diese innovative Zelle bietet einen Solar-zu-Kraftstoff-Wirkungsgrad von über 10 % und erreicht Weltrekord-Stromdichten ohne die Verwendung kritischer Rohstoffe. Dies zeigt, dass Nachhaltigkeit und hohe Produktivität auch mit kostengünstigen und skalierbaren Materialien erreicht werden können.

Darüber hinaus stellt das Team das neuartige Konzept zur Herstellung von Wasserstoff (H₂) und ein H₂-Speicherelement (Formiat) gleichzeitig, wobei letzteres zur Produktion von H₂ in Abwesenheit von Sonnenlicht. Diese Lösung ermöglicht erstmals eine kontinuierliche (24/7) Wasserstoffproduktion mit einem Kunstblattgerät. „A-Leaf war ein wirklich angenehmes und herausforderndes Projekt, und am Ende einen hocheffizienten Prototypen zu haben, war das i-Tüpfelchen“, sagt Prof. Javier Pérez-Ramírez von der ETH in Zürich.

Dieser Ansatz wurde in einer kompakten elektrochemischen Durchflusszellenarchitektur validiert, mit Elektroden basierend auf Cu-S- und Ni-Fe-Zn-Oxid (für Protonen und CO₂ Reduktions- bzw. Sauerstoffentwicklungsreaktionen) unterstützt auf Gasdiffusionselektroden, integriert mit einem kostengünstigen Si-basierten Photovoltaikmodul. Die Zelle arbeitet bei einer Stromdichte von etwa 17 mA cm⁻² und eine Vollzellenspannung von 2,5 V (stabil für > 24 Stunden und während des Ein-Aus-Betriebs), wodurch eine Formiatproduktivität von über 190 μmol h erreicht wird⁻¹ cm⁻².

Die Ergebnisse dieser Studie ebnen den Weg für die Implementierung erschwinglicher Systeme vom Typ künstliche Blätter im zukünftigen Energieszenario und bieten eine nachhaltige Lösung für die große Herausforderung, die Energiewende zu erreichen und das derzeitige zentralisierte Energiemodell in eine dezentrale Alternative umzuwandeln.

„Dies ist das erste Beispiel eines künstlichen Blattes mit einer um eine Größenordnung höheren Effizienz als natürliches Blatt. Dieser große Schritt wäre ohne die sehr enge Interaktion und Zusammenarbeit vieler Forschungszentren mit multidisziplinären Kompetenzen unmöglich gewesen. Wir suchen nun nach der Umsetzung nächster Schritt ist die Realisierung eines Prototyps im großen Maßstab, um die industrielle Machbarkeit zu demonstrieren“, sagt Prof. Siglinda Perathoner von der Università degli Studi di Messina.

Die A-Blatt-Technologie ist bereit für weitere Skalierung und Optimierung, mit dem ultimativen Ziel, einen künstlichen Baum zu bauen, der den Traum von einer nachhaltigen Zukunft unterstützt. „Abgesehen von den Produktivitätszahlen bestand unser größter Erfolg darin, ein europäisches Team von Weltmarktführern auf ihren verschiedenen Forschungsgebieten zusammenzubringen, um mit einem gemeinsamen Ziel zusammenzuarbeiten: zu zeigen, dass ein künstliches Blatt auch dann funktionieren kann, wenn es ausschließlich aus erschwinglichen Materialien hergestellt wird, und es zu liefern eine Rekordleistung auf dem neuesten Stand der Technik“, schließt Galán-Mascarós.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften.