Aus Kohlendioxid und Sonnenlicht könnten mit der Hilfe von Diamant wertvolle Rohstoffe erzeugt werden, etwa die Gase Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) oder der Alkohol Methanol.
Anke Krueger
Aus Sonnenlicht und dem Gas Kohlendioxid, das in der Atmosphäre der Erde reichlich vorhanden ist, organische Substanzen herstellen - und das in einer einfachen Umgebung aus Wasser, das kann bislang nur die Natur. Die Wissenschaft möchte diesen Trick nun auch beherrschen, um damit beispielsweise Feinchemikalien oder Kraftstoffe für Autos und die Energiegewinnung produzieren zu können. Funktionieren könnte das mit neuen Techniken auf Basis von Diamant-Materialien.
Diese Entwicklungsarbeiten laufen im neuen internationalen Forschungsverbund Diacat, der von Professorin Anke Krueger vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg koordiniert wird. Diacat steht für "Diamond materials for the photocatalytic conversion of CO2 to fine chemicals and fuels using visible light. Die Europäische Union (EU) fördert den Verbund in den kommenden vier Jahren mit rund 3,9 Millionen Euro; gut 615.000 Euro davon fließen an der Uni Würzburg. Die EU hat das Projekt in ihrem Horizon-2020-Programm bewilligt.
Was Diamant außergewöhnlich macht
Diamant besteht aus reinem Kohlenstoff, ist sehr hart und hat bekanntlich Schmuckqualitäten. "Diamant kann noch viel mehr", erklärt die Würzburger Chemie-Professorin. Je nach Herstellungsverfahren könne man ihn zum Beispiel mit anderen Elementen bestücken, so dass aus dem perfekten elektrischen Isolator ein Halbleiter werde.
Außerdem besitzt Diamant außergewöhnliche elektronische Eigenschaften, betont die Wissenschaftlerin weiter. Dank ihrer sei es möglich, mithilfe von Licht Elektronen aus der Oberfläche einer Diamant-Elektrode zu emittieren. Diese Elektronen könnten dann, zum Beispiel in Wasser, für chemische Reaktionen mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen genutzt werden.
UV-Licht durch Sonnenlicht ersetzen
Allein die Möglichkeit, in Wasser gelöste Elektronen zu erzeugen, sei schon eine Besonderheit. "Doch die hohe Energie dieser Elektronen ermöglicht darüber hinaus Reaktionen, die mithilfe anderer Halbleitermaterialien wie Silicium, Siliciumcarbid oder Galliumarsenid gar nicht möglich wären", erläutert Anke Krueger weiter. Zu diesen Reaktionen gehöre auch die Rückführung von Kohlendioxid in den chemischen Kreislauf.
Bislang funktioniere das Verfahren allerdings nur mit ultraviolettem Licht. "Unser Ziel ist es nun, das sichtbare Licht der Sonne dafür nutzen zu können und somit eine besonders umweltfreundliche Technologie zu entwickeln", betont die Chemikerin. "Wenn wir Erfolg haben, wird dies einen großen Beitrag zur ressourcenschonenden Herstellung von Treibstoffen und Chemikalien liefern und möglicherweise einen technologischen Wandel befeuern."
Beteiligte an Diacat
An diesem Ziel wird ab Juli 2015 in Diacat gearbeitet. Das Projekt vereint das Fachwissen von sechs Universitäten und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Diamantmaterialien und der Elektrochemie. Neben Anke Kruegers Gruppe an der Universität Würzburg sind beteiligt: das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, CEA Saclay (Frankreich), die Universität Oxford (Großbritannien), die Universität Uppsala (Schweden) und das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Komplettiert wird das Konsortium durch die Firma Ionic Liquids Technologies (Heilbronn), einen Spezialisten für ionische Flüssigkeiten. Administrative Unterstützung kommt von der Projektmanagement-Firma GABO:mi in München.