Diamant für den technischen Fortschritt

Aus Kohlendioxid und Sonnenlicht könnten mit der Hilfe von Diamant wertvolle Rohstoffe erzeugt werden, etwa die Gase Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) oder der Alkohol Methanol. (Bild: Anke Krueger) — Aus Kohlendioxid und Sonnenlicht könnten mit der Hilfe von Diamant wertvolle Rohstoffe erzeugt werden, etwa die Gase Methan (CH₄) und Kohlenmonoxid (CO) oder der Alkohol Methanol. (Bild: Anke Krueger)

An diesem Ziel arbeitet ein neuer durch die Europäische Union mit rund 3,9 Millionen Euro geförderter Forschungsverbund. Koordiniert wird er von der Professorin Anke Krueger an der Universität Würzburg.

Bisher kann es nur die Natur: Aus Sonnenlicht und dem Gas Kohlendioxid, das in der Atmosphäre der Erde reichlich vorhanden ist, organische Substanzen herstellen – und das in einer einfachen Umgebung aus Wasser. Die Wissenschaft möchte diesen Trick auch beherrschen, um damit beispielsweise Feinchemikalien oder Treibstoffe für Autos und die Energiegewinnung produzieren zu können. Funktionieren könnte das mit neuen Technologien auf der Basis von maßgeschneiderten Diamant-Materialien.

Diese Entwicklungsarbeiten laufen im neuen internationalen Forschungsverbund DIACAT, der von Professorin Anke Krueger vom Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg koordiniert wird. DIACAT steht für Diamond materials for the photocatalytic conversion of CO₂ to fine chemicals and fuels using visible light. Die Europäische Union (EU) fördert den Verbund in den kommenden vier Jahren mit rund 3,9 Millionen Euro; gut 615.000 Euro davon fließen an die Uni Würzburg.

Die EU hat das Projekt in ihrem Horizon-2020-Programm bewilligt. Dabei waren „innovative Ideen für radikal neue Technologien“ gefragt. Insgesamt 670 Projektvorschläge wurden eingereicht, nur 24 davon erhielten eine Förderzusage. Darunter ist DIACAT das einzige Projekt, das von einer Einrichtung in Deutschland koordiniert wird. Es startet am 1. Juli 2015.

Diamant: Was ihn so außergewöhnlich macht

Diamant besteht aus reinem Kohlenstoff und ist ein ganz besonderes Material. Nicht nur seine sprichwörtliche Härte und seine Schmuckqualitäten machen es zu einem Werkstoff der Zukunft. „Diamant kann noch viel mehr“, erklärt die Würzburger Chemie-Professorin. Je nach Herstellungsverfahren könne man ihn zum Beispiel mit anderen Elementen bestücken, so dass aus dem perfekten elektrischen Isolator ein Halbleiter wird.

Außerdem besitzt Diamant außergewöhnliche elektronische Eigenschaften. Dank ihrer ist es möglich, mit Hilfe von Licht Elektronen aus der Oberfläche einer Diamant-Elektrode zu emittieren. Diese Elektronen können dann, zum Beispiel in Wasser, für chemische Reaktionen mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen genutzt werden.

Ziel: UV-Licht durch Sonnenlicht ersetzen

Allein die Möglichkeit, in Wasser gelöste Elektronen zu erzeugen, ist schon eine Besonderheit. „Doch die hohe Energie dieser Elektronen ermöglicht darüber hinaus Reaktionen, die mit Hilfe anderer Halbleitermaterialien wie Silicium, Siliciumcarbid oder Galliumarsenid gar nicht möglich wären“, so Anke Krueger. Zu diesen Reaktionen gehört auch die Rückführung von Kohlendioxid in den chemischen Kreislauf.

Bislang funktioniert das Verfahren allerdings nur mit ultraviolettem Licht. „Unser Ziel ist es nun, das sichtbare Licht der Sonne dafür nutzen zu können und somit eine besonders umweltfreundliche Technologie zu entwickeln“, sagt die Chemikerin. „Wenn wir Erfolg haben, wird dies einen großen Beitrag zur ressourcenschonenden Herstellung von Treibstoffen und Chemikalien liefern und möglicherweise einen technologischen Wandel befeuern.“

DIACAT: Welche Institutionen dabei sind

An diesem anspruchsvollen Ziel wird ab Juli 2015 in DIACAT gearbeitet. Das Projekt vereint das Fachwissen von sechs Universitäten und Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Diamantmaterialien und der Elektrochemie.

Neben Anke Kruegers Gruppe an der Universität Würzburg sind beteiligt: das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, CEA Saclay (Frankreich), die Universität Oxford (Großbritannien), die Universität Uppsala (Schweden) und das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Komplettiert wird das Konsortium durch die Firma Ionic Liquids Technologies GmbH (Heilbronn), einen Spezialisten für ionische Flüssigkeiten. Administrative Unterstützung kommt von der Projektmanagement-Firma GABO:mi in München.