The hydrogen and
fuel cell center
ZBT GmbH

ACOMAT – 2D-Materialien für die Photokatalyse

Im neu geförderten Projekt ACOMAT wird ZBT GmbH gemeinsam mit den Partnern AMO GmbH und NB Technologies GmbH die einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien als Katalysator für die Umwandlung von CO2 in solare Brennstoffe untersuchen.

Schema des photokatalytischen Prozesses mit einer möglichen Katalysator-Konfiguration aus 2D-Materialien und metallischen Antennen (c AMO GmbH)

Das Projekt ACOMAT wird vom Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Sonderprogramms Umweltwirtschaft gefördert.

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 die 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 Wasser (hier in Form von Dampf) an der Oberfläche eines Katalysators in Wechselwirkung treten, wo ausreichend viele freie Elektronen und Löcher zur Verfügung stehen, um Reduktions- und Oxidationsprozesse anzutreiben. Die Absorption von Photonenenergie kann in bestimmten Materialien, wie z.B. Titandioxid (TiO2), Elektronen-Loch-Paare erzeugen, um die erforderlichen chemischen Reaktionen anzutreiben. Mit aktuellen Materialien funktioniert dies allerdings nur mit Lichtwellenlängen im UV-Bereich, das nur etwa 10% des Sonnenspektrums ausmacht.

Eine Möglichkeit, die Elektronen-Loch-Produktion mit Sonnenlicht auch im sichtbaren Bereich zu steigern, besteht darin, die lokale Intensität des elektromagnetischen Feldes zu erhöhen, indem man ein Gitter aus metallischen Nanoantennen auf der Oberfläche von TiO2 anbringt. Die Effizienz dieses Ansatzes soll in diesem Projekt durch die Nutzung der außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) verbessert werden. Am ZBT werden die vom Projektpartner AMO GmbH nanolithographisch hergestellten Photokatalysatoren in einem, extra auf die Anforderungen der 2D-Materialien angepassten, Photoreaktor hinsichtlich ihrer Aktivität und Selektivität zur Produktion der gewünschten solaren Brennstoffe untersucht. Das ZBT besitzt weitreichende Erfahrung im Bereich der Gasprozesstechnik und Reaktionstechnik und konnte im aktuell laufenden NRW Leitmarkt-Projekt HyperSol ebenfalls Expertise im Bereich der Verfahrenstechnik zur Untersuchung von Photokatalysatoren aufbauen, welche nun direkt im Projekt ACOMAT eingebracht werden.

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.

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