Projekt

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Production of Liquid Solar Fuels from CO2 and Water: Using Renewable Energy Resources

Titel Englisch Production of Liquid Solar Fuels from CO2 and Water: Using Renewable Energy Resources
Gesuchsteller/in Braun Artur
Nummer 149031
Förderungsinstrument Südafrika
Forschungseinrichtung Labor für Hochleistungskeramik EMPA
Hochschule Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt – EMPA
Hauptdisziplin Physikalische Chemie
Beginn/Ende 01.03.2014 - 28.02.2018
Bewilligter Betrag 224'358.00
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Keywords (8)

electrosynthesis; photoelectrochemistry; artificial photosynthesis; sustainable energy economy; greenhouse gas; methanol; solar hydrogen; CO2 reduction

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Elektrischer Strom wird in immer grösseren Mengen als Solarstrom gewonnen. Unterdessen wird die Speicherung solarer Energie als notwendig erkannt. Während Stromspeicherung als kostenintensiv erachtet wird, kommen solare Brennstoffe als kostengünstigere Alternative in Betracht. Solare Brennstoffe können in künstlicher Photosynthese gewonnen werden, deren einfachster Wasserstoffgas ist und durch solare Wasserspaltung photoelektrochemisch gewonnen werden kann.
Lay summary

Der Bedarf nach nachhaltig gewonnener Energie wird immer bedeutender. Elektrischer Strom wird in immer grösseren Mengen als Solarstrom gewonnen. Unterdessen wird die Speicherung solarer Energie als notwendig erkannt. Während die Stromspeicherung als kostenintensiv erachtet wird, kommen solare Brennstoffe als kostengünstigere Alternative in Betracht. Solare Brennstoffe können theoretisch mittels künstlicher Photosynthese gewonnen werden, deren einfachster das Wasserstoffgas ist und durch solare Wasserspaltung in photoelektrochemischen Zellen gewonnen werden kann.

Schliesst man das Treibhausgas Kohlendioxid in die Reaktionsmechanismen der künstlichen Photosynthese mit ein, lassen sich theoretisch Kohlenwasserstoffe herstellen, unter anderem auch solche in flüssiger Form. Die dabei zu überwindenden technischen Probleme sind beachtlich, aber im Prinzip lösbar.

Südafrika verfügt über eine enorme Energieeinstrahlung durch die Sonne sowie über reiche Vorkommen an Edelmetallen,üwelche als Elektrokatalysatoren bei der künstlichen Photosynthese von Nutzen sind. Darüber hinaus hat Südafrika wichtige technologische Erfahrung bei der Herstellung flüssiger Treibstoffe mittels Fischer-Tropsch Synthese.

In Zusammenarbeit mit der University of Pretoria und weiteren Partnern in Südafrika werden die Schweizer Projektpartner einen Reaktor entwerfen, in dem mit Solarenergie Wasser elektrochemisch in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten und der Wasserstoff mit Kohlendioxid elektrochemisch zu Kohlenwasserstoffen synthetisiert wird.

Bitte sehen Sie sich folgenden Hyperlink an:  http://www.sun2fuels.ch 

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 27.05.2014

Lay Summary (Englisch)

Lead
For the reduction of the human carbon dioxide footprint we propose to use solar (or other renewable) energy and convert atmospheric or technical carbon dioxide and water to methanol, a liquid fuel which is easy to store and transport using readily existing technology.
Lay summary
This use-inspired proposal consists of two parts:

1) Water electrolysis in the presence of CO2 at the cathode which is coated with a conventional metal oxide hydrogenation catalyst such as Cu/ZnO which is expected to give methanol with high selectivity and yield. This part is centred at University of Pretoria and may be expected to produce first results during the first 18 months of the project, preferably obtained with a demonstration device, and will be developed further and scaled up towards a full device in the final 18 months period.

2) Artificial synthesis of methanol from CO2 and water in a photo-electrochemical cell for diagnostic monitoring and possible application of bias voltages, centred at Empa. The planned light harvesting components (Cu2O-CuO photocathodes and hematite-based photoanode heterostructures) have suitable band gaps (2.0-2.2 eV and 1.3-1.6 eV, respectively) and high absorption coefficients over a considerable part of the solar spectrum. The anode may initially be simply a platinum foil, but in view of avoiding transport limitations the design of a setup with short transport distances in the electrolyte will be addressed. Ideally, the system may be developed to work as a pure photoreduction in the absence of electrochemical assistance, much as natural photosynthesis which is to be mimicked. Empa will carry out initial exploratory experiments which permit a selection of systems for deeper investigation.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 27.05.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Projektpartner

Publikationen

Publikation
A facile nonpolar organic solution process of a nanostructured hematite photoanode with high efficiency and stability for water splitting
Wang Jian-Jun, Hu Yelin, Toth Rita, Fortunato Giuseppino, Braun Artur (2016), A facile nonpolar organic solution process of a nanostructured hematite photoanode with high efficiency and stability for water splitting, in J. Mater. Chem. A, 4, 2821-2825.
Influence of anodization time on the surface modifications on α-Fe2O3 photoanode upon anodization
Maabong Kelebogile, Hu Yelin, Braun Artur, Machatine Augusto G.J., Diale Mmantsae (2016), Influence of anodization time on the surface modifications on α-Fe2O3 photoanode upon anodization, in Journal of Materials Research, FirstView, 1-8.
International Exploratory Workshop on Catalysis, Photoelectrochemistry, and X-ray Spectroscopy for Renewable Energy
Braun Artur, Diale Mmantsae, Huthwelker Thomas, van Bokhoven Jeroen A. (2016), International Exploratory Workshop on Catalysis, Photoelectrochemistry, and X-ray Spectroscopy for Renewable Energy, in Synchrotron Radiation News, 29(1), 14-16.
Morphology, structural and optical properties of iron oxide thin film photoanodes in photoelectrochemical cell: Effect of electrochemical oxidation
Maabong Kelebogile, Machatine Augusto G., Hu Yelin, Braun Artur, Nambala Fred J., Diale Mmantsae (2016), Morphology, structural and optical properties of iron oxide thin film photoanodes in photoelectrochemical cell: Effect of electrochemical oxidation, in Physica B: Condensed Matter , 480, 91-94.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Dr. Bogdanoff/HZB Deutschland (Europa)
- Forschungsinfrastrukturen
Prof. Bongjin S. Mun/Hanyang Univ. Korea, Republik (Südkorea) (Asien)
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern
Prof. EC Constable/Uni Basel Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern
Raoul Frese / VUA Niederlande (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
University of Pretoria/Physics Südafrika (Republik) (Afrika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern
University of Pretoria/Chemistry Südafrika (Republik) (Afrika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Swiss South African Joint Research Programme MID-TERM WORKSHOP Poster Liquid Solar Fuels from CO2 and Water 22.10.2015 Basel, Schweiz Braun Artur;
Swiss-South Africa Nano Workshop via the UNESCO Unisa Africa Chair in Nanosciences and Nanotechnology Vortrag im Rahmen einer Tagung Materials for Solar Fuel Production 14.04.2014 Somerset, iTHEMBA LABS, Südafrika (Republik) Braun Artur;


Selber organisiert

Titel Datum Ort
MRS spring 2015 Symposium on electrocatalyis 07.04.2015 San Francisco, Vereinigte Staaten von Amerika

Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Medienarbeit: Printmedien, Online-Medien Austausch mit Südafrika EMPA intern Italienische Schweiz Westschweiz Deutschschweiz 2014
Neue Medien (Web, Blogs, Podcasts, NewsFeed, usw.) http://sun2fuels.ch/SSARJP/index.html sun2fuels International 2014

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
162232 SNF Korean Swiss project: Molecular and physical aspects of dye sensitization of photoelec-trodes with copper-based sensitizer molecules 01.02.2016 Südkorea
147413 International Exploratory Workshop on Soft X-rays, Electrochemistry, and Energy Materials 01.05.2013 International Exploratory Workshops
133944 Oxide heterointerfaces in assemblies for photoelectrochemical applications 01.11.2010 Resource not found: '228f486d-c393-4df7-b610-84193c83958f'
121306 Fundamental Aspects of Photocatalysis and Photoelectrochemistry / Basic Research Instrumentation for Functional Characterization 01.07.2008 R'EQUIP
137868 Reaction-diffusion processes for the growth of patterned structures and architectures: A bottom-up approach for photoelectrochemical electrodes 01.03.2012 Projektförderung (Abt. I-III)
161673 International Exploratory Workshop on Photoelectrochemistry, Catalysis and X-ray spectroscopy 01.07.2015 International Exploratory Workshops
132126 Defects in the bulk and on surfaces and interfaces of metal oxides with photoelectrochemical properties: In-situ photoelectrochemical and resonant x-ray and electron spectroscopy studies 01.06.2011 Projektförderung (Abt. I-III)
161673 International Exploratory Workshop on Photoelectrochemistry, Catalysis and X-ray spectroscopy 01.07.2015 International Exploratory Workshops

Abstract

Please get updates at http://www.sun2fuels.chFor the reduction of the human carbon dioxide footprint we propose to use solar (or other renewable) energy and convert atmospheric or technical carbon dioxide and water to methanol, a liquid fuel which is easy to store and transport using readily existing technology. This use-inspired proposal consists of two parts:1) Water electrolysis in the presence of CO2 at the cathode which is coated with a conventional metal oxide hydrogenation catalyst such as Cu/ZnO which is expected to give methanol with high selectivity and yield. This part is centred at University of Pretoria and may be expected to produce first results during the first 18 months of the project, preferably obtained with a demonstration device, and will be developed further and scaled up towards a full device in the final 18 months period.2) Artificial synthesis of methanol from CO2 and water in a photo-electrochemical cell for diagnostic monitoring and possible application of bias voltages, centred at Empa. The planned light harvesting components (Cu2O-CuO photocathodes and hematite-based photoanode heterostructures) have suitable band gaps (2.0-2.2 eV and 1.3-1.6 eV, respectively) and high absorption coefficients over a considerable part of the solar spectrum. The anode may initially be simply a platinum foil, but in view of avoiding transport limitations the design of a setup with short transport distances in the electrolyte will be addressed. Ideally, the system may be developed to work as a pure photoreduction in the absence of electrochemical assistance, much as natural photosynthesis which is to be mimicked. Empa will carry out initial exploratory experiments which permit a selection of systems for deeper investigation.
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