Im Labor macht Sonnenlicht aus Biodiesel-Abfall Wasserstoff

Unter dem Strahl eines Röntgenmessgeräts am Australian Synchrotron liegt ein Katalysatorpulver vor dem Licht, das es antreibt. Wenn das Licht angeht, ändern die Nickel- und Kobaltatome an seiner Oberfläche ihren chemischen Zustand; wenn es ausgeht, kehren sie zurück. Dieses Hin und Her, das in weniger als einer Sekunde beobachtet wurde, ist der Kern einer neuen Studie unter Leitung von Forschern der University of New South Wales (UNSW).

Das Verfahren heißt Photoreforming. Lichtenergie treibt eine Reaktion an, die einen Ausgangsstoff gleichzeitig in Wasserstoff und andere Produkte aufspaltet. Das Team wählte Glycerin, das Nebenprodukt der Biodieselherstellung, das die wachsende Biodieselindustrie in großen Mengen erzeugt: etwa 100 Kilogramm pro Tonne Biodiesel. Rohglycerin kann einen Wert von nur 0,11 US-Dollar pro Kilogramm haben. Wird es in Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton umgewandelt, die in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet werden, ändert sich dieser Wert. Diese beiden Produkte werden auf etwa 75 bzw. 150 US-Dollar pro Kilogramm geschätzt.

Der Photokatalysator besteht aus Zinkindiumsulfid, das mit sehr geringen Mengen Nickel und Kobalt modifiziert wurde. Unter sichtbarem Licht steigerte der Nickel-Kobalt-Cokatalysator die Wasserstoffbildungsrate um etwa zehnmal im Vergleich zum unmodifizierten Material. Außerdem veränderte er, wohin das Glycerin wandert. Die unmodifizierte Oberfläche begünstigte überwiegend einen Weg, der zu Hydroxyaceton führt; mit Nickel und Kobalt folgte mehr Glycerin den Wegen zu Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton.

Am schwierigsten war es, den Mechanismus zu erkennen. Mit In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), die den chemischen Zustand eines Metalls misst, während das Material arbeitet, beobachteten ANSTO-Hauptwissenschaftler Bernt Johannessen und Kollegen die Nickel- und Kobaltstellen. Ihr Ausgangszustand bestand überwiegend aus positiv geladenen Ionen; unter Licht wurden sie stärker reduziert, also in jene Form überführt, die mit dem aktiven Katalysator in Verbindung steht. Dunkel-Kontrollmessungen zeigten, dass die Veränderung durch das Licht und nicht durch den Röntgenstrahl ausgelöst wurde. Eine zweite Methode, die Infrarot-Mikrospektroskopie, verfolgte die Moleküle auf der Oberfläche und half, die Zwischenprodukte auf dem Weg zu identifizieren.

Für Biodieselhersteller hängt der Nutzen des Ansatzes davon ab, was er mit ihrem überschüssigen Glycerin künftig leisten könnte; die Studie beantwortet diese Frage nicht. Sie nennt keinen Preis für das Verfahren, keine Kapazitätsangabe und kein Datum für eine Demonstration außerhalb des Labors, und ihre Wasserstoffwerte stammen aus simuliertem Sonnenlicht. Belegt wird jedoch eine Methode, um zu sehen, wie der Katalysator arbeitet. Genau das, so das Team, macht es möglich, Katalysatoren so zu entwerfen, dass sie die Reaktion in gewünschte Produkte lenken. Jeder Schritt von diesem Laborergebnis hin zu einer Anlage würde mit dieser Entwurfsarbeit beginnen.