Photokatalysatoren zur Umwandlung organischer Komponenten

Wasserstoff wird seit vielen Jahren als potentieller Energieträger der Zukunft genannt, da er nicht nur direkt verbrannt, sondern auch in Brennstoffzellen zur Herstellung von elektrischem Strom verwendet werden kann. Derzeit wird der größte Teil (mehr als 90%) des verwendeten Wasserstoffs aus Erdgas und damit einem fossilem Rohstoff, hergestellt. Eine Alternative dazu ist die photokatalytische Herstellung von Wasserstoff. In diesem Ansatz wird Wasser durch die Einwirkung von Licht und einem Katalysatormaterial in seine Einzelteile, Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Diese Reaktion ist jedoch sehr anspruchsvoll, da sie sehr hohe Anforderungen an die verwendeten Katalysatoren stellt, da der entstehende Sauerstoff sehr reaktiv ist. Zusätzlich kann der Sauerstoff auch nicht gewinnbringend in weiteren chemischen Prozessen verwendet werden und stellt somit ein unvermeidbares Nebenprodukt dar. Der Ansatz in diesem Projekt ist es daher die Reaktion die zur Herstellung von Sauerstoff führt (Oxidation) durch eine andere Reaktion zu ersetzen, nämlich die Oxidation von erneuerbaren Rohstoffen. In diesem Fall würde man Chemikalien oder Rohstoffe erneuerbaren Ursprungs verwenden und anstatt des Sauerstoffs oxidieren. Wenn man diese Reaktion kontrolliert durchführen kann, entstehen Chemikalien die in anderen Bereichen der Industrie Verwendung finden würden.Damit würde die gesamte Wirtschaftlichkeit der photokatalytischen Wasserspaltung gesteigert werden, denn neben dem gewünschten Wasserstoff hat man nun noch ein chemisches Produkt mit höherer Wertschöpfung generiert. Um dieses Ziel zu erreichen ist jedoch ein speziell entworfenes Katalysatormaterial notwendig. Dieser Katalysator soll durch die Kombination von sogenannten Carbon nano dots (speziellen Partikeln aus Kohlenstoff in der Größe von wenigen Nanometern) mit Titandioxid (TiO2) hergestellt werden. Beide Komponenten für sich haben besondere Eigenschaften im Bereich der Photochemie. Ihre Kombination soll zu einem Material mit außergewöhnlicher Reaktivität führen und die photokatalytische Produktion von Wasserstoff ermöglichen. Dazu werden die einzelnen, kleinen carbon nano dots mit einer dünnen Schicht aus TiO2 überzogen. Dabei sollen die nano dots als Absorber für das Licht dienen und die chemischen Reaktionen selbst werden an der Oberfläche des TiO2 stattfinden. Zusätzlich können noch Metalle an der Oberfläche des TiO2 deponiert werden, was die Reaktivität des ganzen Katalysators noch erhöhen würde. Ein solches Material wäre nicht nur ein aktiver Katalysator, es würde selbst auch nur aus leicht verfügbaren und ungefährlichen Elementen bestehen, im Unterschied zu vielen Photokatalysatoren die gerade erforscht und verwendet werden.

Um die globalen CO2 Emissionen zu reduzieren, muss für die Herstellung von Treibstoffen und Chemikalien, ein Ersatz für fossile Rohstoffe gefunden werden. Abfallprodukte (Biomasse-, Lebensmittel- oder Plastikabfall ) haben den Vorteil, dass sie nicht nur fossile Rohstoffe ersetzen können (zumindest teilweise) sondern gleichzeitig wird der verwendete Abfall recycled und kann nicht in die Umwelt gelangen und zu deren Verschmutzung beitragen. Neben alternativen Ressourcen (wie Abfall), wurden auch neuartige Prozesse zur Herstellung von Chemikalien untersucht. In photokatalytischen Prozessen liefert Sonnenlicht die notwendige Energie um chemische Reaktionen zu ermöglichen. In der Elektrokatalyse wird elektrische Energie verwendet, was besonders vorteilhaft ist wenn erneuerbare Energie wie Wind- oder Solarenergie verwendet wird. Photo- und Elektrokatalyse können zentrale Bestandteile für moderne chemische Prozesse sein. In meinem Projekt habe ich mich mit der Umwandlung von Abfallprodukten mittlels Photo- oder Elektrokatalyse beschäftigt. Abfälle wie Biomasse (Sägespäne) oder Lebensmittelreste wurden mittels Photokatalyse in Wasserstoff (ein wichtiger Energieträger) und definierte organische Produkte (Chemikalien) umgewandelt. Die entwickelten Prozesse arbeiten bei niedrigerer Temperatur und milderen Bedingungen, verglichen mit bereits existierenden Ansätzen. Die gleichzeitige Herstellung von Wasserstoff und definieren chemischen Produkten macht den Prozess wirtschaftlicher und umweltfreundlicher. Zusätzlich wurde ein weiterer Prozess entwickelt der in zwei Stufen Plastikabfall in wertvolle Chemikalien umwandeln kann. Diese Chemikalien (Ethylen und Propylen) können wieder für die Herstellung von neuem Plastik verwendet werden, was einen geschlossenen chemischen Kreislauf ermöglichen könnte. Der Ansatz funktioniert vor allem für Polyethylen. Dieses Plastik wird vor allem für die Herstellung von billigem Verpackungsmaterial verwendet, welches besonders schwierig wiederverwertet werden kann. Der entwickelte Prozess kombiniert eine thermische Reaktion mit einem photo- oder elektrokatalytischen Schritt um die gewünschten Produkte zu erzeugen. Verglichen mit anderen Methoden für das Recycling von Polyethylene, arbeitet der entwickelte Prozess bei deutlich niedrigeren Temperaturen und kann auch für kleinere dezentralisierte Anwendungen benutzt werden.