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Neue Kathode wandelt CO₂ mit Licht gezielt in Ethanol um
Aus Kohlendioxid und Licht gezielt Ethanol zu gewinnen, scheitert bei Kupfer(I)-oxid bislang oft an schneller Korrosion. Eine neu entwickelte Fotokathode mit einer leitfähigen MXen-Schicht und Titandioxid erreicht im Labor 8,4 Mikromol Ethanol pro Quadratzentimeter und Stunde. Nach sechs Stunden lag die Rate noch bei 76 Prozent des Zweistundenwerts.
Prag (Tschechien). Kohlendioxid kann nicht nur als Treibhausgas, sondern auch als Kohlenstoffquelle für chemische Rohstoffe und solare Kraftstoffe dienen, wenn Lichtenergie mit einer angelegten elektrischen Spannung gekoppelt wird. Kupfer(I)-oxid ist dafür ein interessanter Lichtabsorber, weil es sichtbares Licht gut nutzt, in wässriger Umgebung unter Beleuchtung aber rasch korrodiert und dadurch an Aktivität verliert.
Forscher der Charles University (CU) um Dr. Pavla Eliášová haben nun eine mehrschichtige Fotokathode entwickelt, die dieses Stabilitätsproblem abschwächen soll und Kupfer(I)-oxid mit dem zweidimensionalen Material Ti₃C₂Tₓ aus der Stoffklasse der MXene kombiniert. Durch gezieltes Erhitzen entstand auf dessen Oberfläche zusätzlich eine dünne Schicht aus Titandioxid, sodass Lichtabsorption, Ladungstransport und Schutzfunktion auf verschiedene Komponenten verteilt werden.
In der Konstruktion übernimmt Kupfer(I)-oxid vor allem die Absorption des sichtbaren Lichts, während das leitfähige MXen-Gerüst den Elektronentransport unterstützt und das darauf gebildete Titandioxid die Ladungstrennung an der Grenzfläche verbessert. Zugleich schirmt die Deckschicht Teile des Kupfer(I)-oxids vom Elektrolyten ab und bremst so dessen lichtbedingte Zersetzung. Messungen der elektrischen Eigenschaften sprechen dafür, dass gerade diese Grenzfläche den Abtransport angeregter Ladungsträger erleichtert.
„Mit oberflächenmodifiziertem MXen und Kupfer(I)-oxid konnten wir die besten Eigenschaften beider Materialien verbinden. Die Kupferbasis ermöglicht eine maximale Nutzung der Lichtenergie, während das leitfähige MXen-Gerüst dafür sorgt, dass das Material auch nach vielen Betriebsstunden aktiv bleibt“, erklärt Dr. Pavla Eliášová.
Entscheidend war dabei nicht einfach möglichst viel Titandioxid, denn bei stärkerer Oxidation entstanden dickere Titandioxid-Anteile, die den Ladungstransport wieder verschlechterten. Die beste Kombination erhielten die Forscher nach einer Wärmebehandlung bei 350 Grad Celsius unter Stickstoff und mit einer hohen MXen-Bedeckung der Kupfer(I)-oxid-Oberfläche.
Für die Tests setzten die Wissenschaftler die Fotokathoden in einer mit Kohlendioxid gesättigten Elektrolytlösung ein und bestrahlten sie unter definierten Laborbedingungen. Die optimierte Elektrode mit einer MXen-Menge von 50 Gewichtsprozent bezogen auf das abgeschiedene Kupfer(I)-oxid erreichte nach zwei Stunden eine Ethanol-Produktionsrate von 8,4 Mikromol pro Quadratzentimeter und Stunde sowie eine Solar-zu-Ethanol-Effizienz von 2,74 Prozent.
Unter den gewählten Reaktionsbedingungen war Ethanol das einzige nachgewiesene Produkt der Kohlendioxidreduktion, wobei Kontrollmessungen mit Gaschromatografie und Kernspinresonanz mögliche Verunreinigungen ausschließen sollten. Vergleichsexperimente zeigten außerdem, dass weder das unbehandelte MXen noch die wärmebehandelte MXen-Titandioxid-Komponente allein eine nennenswerte Kohlendioxidreduktion bewirkten. Erst die Kombination mit Kupfer(I)-oxid erzeugte die hohe Aktivität.
Im Vergleich mit früher beschriebenen Kupfer- und Kupferoxid-Systemen ohne organische Elektrolyte lag die Produktionsrate nach Auswertung der Autoren an der Spitze. Solche Quervergleiche sind allerdings nur eingeschränkt belastbar, weil sich Reaktorgeometrie, Betriebsbedingungen und Bezugsgrößen zwischen Studien unterscheiden, weshalb die Forscher vor allem die flächenbezogene Produktionsrate und die Solar-zu-Ethanol-Effizienz als aussagekräftig für ihr System bewerten.
Auch die optimierte Elektrode blieb nicht unverändert, denn nach sechs Stunden sank die Produktionsrate von 8,4 auf 6,37 Mikro