Ein Diamant, dessen Oberfläche mit komplexen organischen Bausteinen versehen ist; Licht einer bestimmten Wellenlänge; und dazu Wasser und Kohlendioxid: Dies sind die Zutaten eines neuen Mikroreaktorsystems, das dazu beitragen soll, die Ökobilanz der Menschheit zu verbessern. Entwickeln soll dieses System ein neuer, nationaler Forschungsverbund, an dem das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie — Institut für Mikrotechnik Mainz (ICT-IMM), das Unternehmen Sahlmann Photochemical Solutions und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg beteiligt sind. CarbonCat – so der Name des Projekts – wird in den kommenden drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 1,34 Millionen Euro gefördert. Anke Krüger, Würzburger Professorin für Organische Chemie, kümmert sich dabei um die Entwicklung der Diamantoberflächen.
Der Ausstoß von Treibhausgasen muss sinken
Zum Hintergrund: Das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) gilt als Hauptverantwortlicher für den weltweiten Klimawandel. Nach vorläufigen Zahlen lag der globale CO2-Ausstoß im vergangenen Jahr bei 32,1 Milliarden Tonnen – und damit eindeutig zu hoch, um die Ziele des Abkommens der UN-Klimakonferenz in Paris vom vergangenen Dezember zu erreichen. Dort hatte die Versammlung beschlossen, die globale Erwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten zu begrenzen. Dafür müssen die Treibhausgasemissionen weltweit zwischen 2045 und 2060 auf Null zurückgefahren und anschließend ein Teil des zuvor emittierten Kohlenstoffdioxids wieder aus der Erdatmosphäre entfernt werden. CarbonCat soll dabei helfen.
Photosynthese in einem technischen System
Dafür wollen die beteiligten Wissenschaftler das Prinzip der Photosynthese in einem technischen System imitieren. Anstelle von Pflanzenzellen mit ihren photosynthetisch aktiven Chloroplasten, setzen sie auf einen neu entwickelten Mikroreaktor, der einen Diamant-Photokatalysator als photoaktives Zentrum enthält. „Der besondere Aufbau des Mikroreaktors ermöglicht eine kontinuierliche Durchmischung von CO2 und Wasser bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht”, erklärt Thomas Rehm, Senior Scientist am Fraunhofer ICT-IMM und Koordinator des Verbundprojektes. CarbonCat soll beweisen, dass es auf diese Weise möglich ist, unter naturnahen Bedingungen Kohlendioxid in wertvolle chemische Bausteine wie beispielsweise Methanol umzuwandeln.
Diamant kommt eine Schlüsselrolle zu
Für Anke Krüger heißt dies, dass neben der technologischen Seite die chemische Optimierung von Diamant als Photokatalysator eine Schlüsselrolle einnimmt. „Die gezielte Funktionalisierung von Diamantoberflächen mit komplexen organischen Bausteinen ist nicht trivial, vor allem hinsichtlich der Langzeitstabilität zur Nutzung in einem kontinuierlichen Prozess, wie wir es in dem Mikroreaktor zu tun beabsichtigen”, sagt sie. Über hinreichend Erfahrung auf diesem Gebiet verfügt die Chemikerin: Seit dem vergangenen Jahr koordiniert sie den internationalen Forschungsverbund DIACAT — Diamond materials for the photocatalytic conversion of CO2 to fine chemicals and fuels using visible light. Dieser arbeitet ebenfalls an der Umwandlung von CO2 mit Hilfe von Diamant, setzt aber auf ein anderes Funktionsprinzip. „Während in DIACAT die Nutzung des Sonnenlichts insbesondere durch Nanostrukturierung des Diamanten erreicht werden soll, wollen wir bei CarbonCat zum einen insbesondere die kontinuierliche Durchführung in einem Durchflussreaktor und zum anderen die ganz gezielte Anbindung verschiedener Photoaktivier-Moleküle untersuchen“, erklärt Krüger.
Gezielter Einsatz von Licht
Neben der Reaktortechnologie und den katalytisch aktiven Oberflächen sind sowohl die Auswahl und die Mischung der benötigten Wellenlängen als auch die Anordnung der LEDs von entscheidender Bedeutung. „Dem Zusammenspiel zwischen Lichtquelle und den anderen Komponenten des Systems gilt große Aufmerksamkeit. Dies ist für den photokatalytischen Prozess von ebenso großer Bedeutung wie für die Gesamteffizienz des Reaktors“, so Benjamin Sahlmann, der als freiberuflicher Chemiker unter der Bezeichnung Sahlmann Photochemical Solutions an dem Projekt beteiligt ist. „Mit den Erkenntnissen aus CarbonCat hoffen wir in Zukunft, einen Beitrag zur Verringerung der Umweltfolgen aus dem vorhandenen CO2-Ausstoß leisten zu können“, resümiert Thomas Rehm.
Der Beitrag der Projektpartner
Das Fraunhofer ICT-IMM wird basierend auf seiner Expertise in der Entwicklung und Erprobung von mikrostrukturierten Reaktoren eine kontinuierlich betriebene Reaktoranlage verwirklichen, deren Kern der neuartige Diamant-Photokatalysator sein wird. Die physikalische Adaption des im Mikroreaktor eingesetzten Diamantmaterials sowie die eingehende Untersuchung des photokatalytischen Prozesses im kontinuierlichen Betrieb sind ebenfalls Aufgaben des ICT-IMM. Die Arbeitsgruppe von Professor Anke Krüger an der Universität Würzburg beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit der Herstellung, Charakterisierung und Anwendung nanoskaliger Kohlenstoffmaterialien, insbesondere Diamant. Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Methoden zur besonders stabilen Anknüpfung von Funktionsmolekülen an Diamantüberflächen werden in CarbonCat eingesetzt, um das Diamantmaterial für seinen Einsatz als Photokatalysator im Mikroreaktor zu optimieren. Sahlmann Photochemical Solutions wird im Rahmen von CarbonCat die Lichtquellen für die Photokatalyse in den Reaktionssystemen entwickeln. Eine maßgeschneiderte Herstellung der benötigten Lichtquellen und deren spektrale Vermessung ist ebenso Aufgabe wie die Bewertung der Lichtquellen hinsichtlich der Gewährleistung der Arbeitssicherheit. Quelle: Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg
