Ein Blatt speichert Sonnenenergie nicht als Strom, sondern in chemischen Bindungen. An diesem Prinzip orientiert sich die künstliche Photosynthese. Ein von Yale-Forschenden geleitetes Team hat nun einen Labordemonstrator vorgestellt, der CO₂ und Wasser mithilfe von Licht zu Methanol umsetzt. Nach Angaben der Forschenden ist es das erste eigenständig arbeitende Gerät, das Methanol aus diesen Ausgangsstoffen bildet. Methanol ist eine wichtige Grundchemikalie und kann zugleich als flüssiger Energieträger dienen. Neu ist vor allem die integrierte Bauweise. Das Gerät benötigt für die Reaktion keine zusätzliche äußere Spannung, sondern verbindet Lichtaufnahme, Ladungstrennung und Katalyse in einem kompakten Aufbau.

Mikrosäulen leiten Elektronen zum Katalysator

Im Zentrum steht eine Photokathode aus Silizium. Ihre Oberfläche ist nicht glatt, sondern als Feld aus feinen Mikrosäulen gestaltet. Dadurch entsteht mehr Fläche für die Katalyse. Auf dem Silizium liegt eine dünne Schicht aus C₆₀, einem kugelförmigen Kohlenstoffmolekül, das Elektronen gezielt weiterleiten soll. Darauf brachten die Forschenden einen Katalysator auf Basis von Kobalt-Tetraaminophthalocyanin und Kohlenstoffnanoröhrchen auf. Die Nanoröhrchen dienen dabei als leitfähiges Gerüst, über das Elektronen zu den aktiven Kobalt-Zentren gelangen.

Für das vollständige künstliche Blatt koppelte das Team diese Photokathode mit einem Perowskit-Photovoltaik-Minimodul und einer Anode für die Sauerstoffbildung aus Wasser. In den Tests wurde das Gerät in eine CO₂-haltige Wasserlösung getaucht und mit Licht bestrahlt, das Sonneneinstrahlung im Labor nachbildet. An der Kathode entstehen dabei Methanol sowie Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff. An der Anode wird Wasser zu Sauerstoff oxidiert.

Messwerte zeigen auch die Grenzen

Für die Photokathode berichtet die Studie eine Faraday-Effizienz von bis zu 30 % für Methanol. Diese Kennzahl beschreibt, welcher Anteil des elektrischen Stroms tatsächlich im gewünschten Produkt landet. Im vollständig integrierten Gerät erreichte die Umwandlung von Lichtenergie zu Methanol eine Effizienz von 0,8 %. Laut Yale liegt dieser Wert 32-mal höher als der bisherige Rekord für künstliche Blätter, die Alkoholprodukte erzeugen.

Damit ist der Ansatz noch weit von einer technischen Anlage entfernt. Die Versuche liefen im kleinen Labormaßstab, mit definierter CO₂-Zufuhr und über begrenzte Betriebszeiten. Für eine spätere Nutzung müssten unter anderem Stabilität, Selektivität, Materialeinsatz und die Abtrennung der Nebenprodukte verbessert werden. Die Arbeit zeigt aber, wie sich CO₂ direkt als Kohlenstoffquelle für eine wichtige Chemikalie nutzen lässt. Methanol kann in vielen Wertschöpfungsketten fossilen Kohlenstoff ersetzen, sofern seine Herstellung selbst mit erneuerbarer Energie und klimafreundlichen Kohlenstoffquellen verbunden wird.

ag