Nicht nur Pflanzen können Sonnenlicht nutzen, um aus CO2 und Wasser wertvolle Chemikalien herzustellen. Mit der richtigen Technologie kann CO2 in einem Prozess, der Photokatalyse oder künstlichen Photosynthese genannt wird, zur Produktion von Methan, Methanol oder Ameisensäure angeregt werden. Während heute die Effizienz der Photokatalyse noch begrenzt ist, treibt der Vision, CO2 als Ressource zu nutzen, weltweit intensive Forschung und Entwicklung voran.

Um CO2 in so genannte solare Brennstoffe (Methan, Methanol oder Ameisensäure) umzuwandeln, muss es mit Wasserdampf an der Oberfläche eines Katalysators in Wechselwirkung treten, wo ausreichend viele freie Elektronen und Löcher zur Verfügung stehen, um Reduktions- und Oxidationsprozesse anzutreiben. Und hier kommt das Licht ins Spiel. In der Tat führt die Lichtabsorption in bestimmten Materialien wie Titandioxid (TiO2) zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren mit den richtigen Energien, um die erforderlichen chemischen Reaktionen anzutreiben. Das Problem ist jedoch, dass dieser Prozess nur mit ultraviolettem Licht funktioniert, das nur etwa 10% des Sonnenspektrums ausmacht.

Eine Möglichkeit, die Elektronen-Loch-Produktion mit Sonnenlicht zu steigern, besteht darin, die lokale Intensität des elektromagnetischen Feldes zu erhöhen, indem man ein Gitter aus Nanoantennen auf der Oberfläche von TiO2 anbringt. Bisher sind Nanoantennen typischerweise metallische Strukturen, aber die Effizienz des Ansatzes kann potenziell stark verbessert werden, wenn man die außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen (2D) Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) nutzt. Dies ist im Wesentlichen der Ansatz des Projekts ACOMAT, in dem die AMO GmbH gemeinsam mit der NB Technologies GmbH (Bonn) und dem Zentrum für Brennstoffzellen-Technik  ZBT GmbH (Duisburg) einen effizienten Photokatalysator aus nanolithographisch hergestellten 2D-Materialien entwickelt.

“Die Idee, 2D-Materialien für die Herstellung von solaren Brennstoffen aus CO2 einzusetzen, ist nicht neu”, sagt Benny Ku, Doktorand bei der AMO GmbH und einer der Initiatoren des Projekts. “In der Literatur gibt es bereits Vorarbeiten, die das Potenzial dieses Ansatzes aufzeigen. Aber bei AMO sind wir besonders gut geeignet, um zu versuchen, diese Vorstudien in eine reale Technologie zu überführen, da wir sowohl in der Realisierung von Nanostrukturen auf Basis von 2D-Materialien als auch in der Entwicklung von Nanoantennen für photokatalytische Reaktoren zur solaren Treibstoffproduktion über eine große Expertise verfügen.”

Das Projekt ACOMAT wird vom Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Sonderprogramms Umweltwirtschaft gefördert. Dieses Programm, das im Herbst 2020 im Rahmen des “Corona-Hilfe”-Programms aufgelegt wurde, zielt darauf ab, kleine und mittlere Unternehmen dabei zu unterstützen, Forschung und Entwicklung im Bereich der Green Economy trotz der aktuellen Pandemie fortzuführen und neue Gründungen zu stimulieren.

“Die aktuelle Krise zeigt sehr deutlich den gesellschaftlichen Wert von Forschung und die Notwendigkeit, in Technologien zu investieren, die heute vielleicht noch sehr futuristisch erscheinen”, sagt Prof. Max Lemme, wissenschaftlicher Leiter der AMO GmbH. “Ohne ein Jahrzehnt der Forschung an der mRNA-Technologie hätten wir heute einige der besten Impfstoffe nicht zur Verfügung. Ohne die zukunftsweisende Forschung an erneuerbaren Energiequellen werden wir nicht in der Lage sein, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Klimawandel zu bekämpfen. Nanotechnologie bietet uns mächtige Werkzeuge, um neue und unkonventionelle Wege der Energiegewinnung zu erforschen, und sie könnte uns helfen, Lösungen für die wahrscheinlich größte Herausforderung unseres Jahrhunderts zu finden.”