Chemie als Problemlöser für den globalen Wandel: von altem ... · Markus Antonietti . Max Planck...

Markus Antonietti Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

Research Campus Golm, D-14424 Potsdam

Chemie als Problemlöser für den globalen Wandel: von altem und neuen

Wissen

Menschheit 2020/2050?

Vor uns: Probleme auf der Megaskala bestimmen den Gang der Welt:

Der Hunger nach Energie Bis 2030: nochmals 50 % Verbrauchssteigerung Der Rohstoffwandel Die CO2-/Klimakrise Alles Neue: bitte natürlich-nachhaltig

Wissenschaft 2020/2050 ?

solche Herausforderungen können/müssen von der Wissenschaft adressiert werden Neue Energiesysteme CO2-Minderungs/Vermeidungstechnologien I-Energy (dezentral, autark, vernetzt) Integrative Technologien, Hand in Hand mit der Natur „ Altes Wissen“: Senioren aktiver als Junioren Veranwortung für unsere Kinder/Kindeskinder ?? Grundlagenforschung: disruptiv !

Die Entropie – Arbeit der Photosynthese

How much does it cost to take out 1 ton of CO2 from the atmosphere and fix it into biomass ?

T * ΔS = n * R * T * ln (c1/c2)

c1 = 0.0001 ; c1 = 0.4 1730 MJ/ton or 480 kWh Entropie Maschinen μ (eff) = 0.2 1 kWh = 0.1 Euro

240 Euro / ton Sammelkosten (no investment, no operation)

(44 GT CO2 Überschuss, 10,5 Trillionen Euro…)

Die Einordnung des “CO2-Problems” aus der Sicht eines Chemikers

• Welt- Rohöl Production 4 km3

• “nur” Öl: 15 GT CO2 pro Jahr -- > Klimawandel • jährliche Biomasseaufwuchs Land trocken 120 km3

• 6,7 % aller Bioasse ist genug, um CO2 Erzeugung aus Rohöl zu balancieren • 11 % der Biomasse bereits in der Landwirtschaft

“persönlicher Fussabdruck” 3.0 tonnen Wir brauchen einfach CO2- negative Technologien & Produkte Kosten: geschätzt 180 G€ /Planet, wenn nicht sogar Gewinn

Hydrothermale Carbonisierung

Ein Verfahren, welches nasses Pflanzenmaterial in Monomere in Polymere in Kohlenstoffe verwandelt alles in Wasser Kolloid- und Grenzflächenchemie Kohlenstoff Effizienz ≈ 1

Friedrich Bergius beschrieb 1913 elementare Schritte der HTC

HTC

works via dehydration of carbohydrates -bei 180 °C – 200 °C -für 2 – 16 h -C6H12O6 __ C6H6O3 + 3 H2O C6H2O + 5 H2O -vergleichsweise preiswert ( ca. 0.40 €/kg starch, 200 €/t biomass)

-erzeugt nützliche Kohlenstoff-Nanostrukturen -mit nützlicher Grenzflächenchemie

„Kohlebilder“: (aus Glucose/Stärke/Pflanzenteilen)

O

H

HO

H

HO

H

OH

OHHH

OH

- 3 H2O O

O

H

HO

Glucose C6H12O6 5-HMF C6H6O3

Diels-Alder Reaktionen

ergibt Phenolharze

Polymerisation zu Polyfuranen

Aldol Polykondensation zu Huminstoffen

„Lawinen“ Modell der Reaktionen

Es geht auch mit den 90 % (deutsche) Abfallbiomasse industrielle Biomasseabfälle: Zuckerrüben (5 Mt), Rapsstroh (20 Mt), Klärschlämme (10 Mt),

Das klassische Teller/Tank Problem ?

Das Problem und die Chance das Missverhältnis von Produkt und Abfall

90% werden „weggeworfen“ Biomasse ->Bioethanol ca. 3 - 6 % Effizienz

Eine Pilotanlage, ppp mit der Max Planck Gesellschaft

Ein Film

Gut für ca. 10000 t/Jahr…

Was tun mit 8 Gt Kohlenstoff ?

8 GT C

Klassisch. Brennstoff

High-tech: Industrielle Rohstoffe

„wegwerfen“… Boden-Verbesserer

Biochar and „Terra Preta“: C- polymers as soil conditioner

www. biochar-international.org

„klassisches“ reaction engineering

Bilder: Dank an Dr Heiko Pieplow

Bicontinous nanosponges

On molecular and nanoscale:

no biotexture left

Globaler Bodenabbau

Source: FAO

Teil 2: Energie

Natürliche Photosynthese: recht „ineffizient“ in der Energie-Fixierung: ca. 0.3 %!!!

Energie: Solares Energiepotential

Theoretisch: ~ 120000 TW Solarenergie fallen auf die Erdoberfläche Verbrauch 2000: ~ 13 TW (Sonnenenergie 1 Stunde…) Projektion 2050: ~ 28 – 35 TW weltweit Photosynthese in der Natur: ~ 125 TW weltweit

Painting attributed to Cherubino Cornienti (1855)

Harnessing the Power of the Sun

Archimedes “Death Ray” reflecting the sun to burn Roman ships

The Genesis Project

640 GWh (2016), ca 50 MW

Antelope Ranch: Photovoltaics

266 MW power

Künstliche Photosynthese:

„Die Umwandlung von Lichtenergie mit einer Maschine in chemische Energiespeicher- moleküle wie Wasserstoff, Zucker, Alkohol, Erdgas… im „künstlichen Baum“ ... Ziel : 10 % Effizienz (300 t Methanol/ha)

from: www.treehugger.com

http://www.bolognawelcome.com/imageserver/gallery_big/files/Luoghi/Musei/museochimica/museochimicaciamician3.jpg

O

O

HO

OH

OH

Ohν+ +

Early Photochemistry Labs: Ciamician and Silber, Bologna, Italy ~1912

Fakten, die Einfachheit erfordern

Solarkonstante in Europa: 2 €/m2*a (verdünnt !!) Denke „Landwirtschaft“, nicht high tech TON eines Solarkatalysators: 1 * 1011

Aber wie ?

Alpha to omega (der Zeitpunkt Null)

Theia und Hyperion:

Die Geburt von Erde und Mond

Leben?

Erste Indizien im Isua „supercrustal belt“, Grönland 12C/13C-ratio, Biomasse -20 – 30, natural -5.5, dort -18 CO2-Metabolisierung! 3.85 Ga alt!!! Erste Black shales: 3.2 Ga…

dann: der Anfang

Hadean erster Quartz 4.4 Ga nach 150 Ma: Land, Ozeane, Erdkruste eine schrecklicher Platz: Säure, voll mit Fe2+ , 20 bar Druck, wahrscheinlich 200 °C, Vulkane, dichte Wolken Hadean ≈ “wie die Hölle” Atmosphäre: CH4, CO2, CO, NH3, H2O, H2S, HCN, (O2)

Molecular „fossils“

o Adenin o Nucleinsäuren o Einige enzyme o 6 – 8 Aminosäurens o Fe/NiS clusters o Zucker?? (Murray meteorite CC enthält Zucker), Formose

Reaction

Eine Harnstoff-Chemie hin zu Melon und graphitischem C3N4

H2N N∆

N

H2N NH2

N

∆

N

N

N

NH2

H2N NH2

∆ -NH3

N

N

N

N

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N

NH2

H2N NH2

∆

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NN

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N

NN

NN

-NH3

210°C 400°C

> 500°C

Liebig, 1834

Jürgens et al., JACS 2003

Liu et al., Science 1989

Lend from: Youtube, „Pharao`s serpent“

Carbon nitride: most simple…

Melon: (Poly-(heptazine)imine)

300 400 500 600 700 800

Abso

rban

ce (a

rbitr

ary

units

)

Wavelength (nm)

c

300 400 500 600 700 800

Abso

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300 400 500 600 700 800

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Wavelength (nm)

c

Bandlagen: ideal für die photochemische Wasserspaltung

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

10

20

30

40

50

60

Amou

nt o

f evo

lved

gas

es /

µmol

Reaction time / h

H2 evolution on Pt (0.5 wt%)-loaded C3N4

λ > 420 nm

Catalyst, 0.1 g, Reactant solution, aqueous triethanolamine solution 100 mL 10 vol.%; Reaction vessel, Pyrex top irradiation-type; Light source, xenon lamp (300 W) attached with a cutoff filter

H2

N2

„Carbon Nitride 2.0“ (reloaded): (farbiger, leitfähiger, bessere Bandlagen ) - Neue Precursoren für bessere Kristalle - Supramolekulare Vororientierung - Nano-Hybridisierung, Heterojunctions

Jetzt: aktivere Photocalayse

New chemistry by expanding the redox-range

New Oxidation chemistry

Li

Co5+

Fe3+

dyes

CN-X

NO3- - e– NO3· (König)

Cl2 - 2e- 2 Cl+

An alternative approach: condensation of triazoles

Product C, wt.% N, wt.% H, wt.% C/N wt. Yield, % Color

ref.-CN 35.0 59.3 1.95 0.59 63 yellow

I-CN 37.1 58.2 1.92 0.64 47 brown

II-CN 34.9 58.3 1.88 0.60 44 orange

except for color, products seem to be very similar

I

II

Dariya Dontsova, Zupeng Chen, Christian Fettkenhauer

d=1.04 nm

d=0.31-0.32 nm

Products of salt melt synthesis (LiCl/KCl): Morphology

The structure: Rietveld refined

Wasserstofferzeugung aus Salzwasser

Guigang Zhang, Jiani Qin

IPQY = 0.65

Einfacher und höherer Wert als H2: Cofactor regeneration

Efficiency and selectivity: a coupler is needed

NADH-generation under optimized conditions: Coining Light energy into biological currency

A „Frankensteinian“ approach: Coupling AP with enzymes and cells

Zusammenfassung

o Biomasse ist gebundenes CO2 o HTC erlaubt “carbon-negatives” Wirtschaften o Mutterboden ist die nützlichste Kohlenstoffsenke o Künstliche Photosynthese mit Carbonnitrid o Mittlerweile: viele Reaktionen mit IPQY < 0.5 o Hybridisierung mit Biologie: vielversprechend

Danksagung

o meinen Mitarbeitern (über 400 in 25 Jahren) o meinen Kollegen und Kooperationspartnern o der Max Planck Gesellschaft o den zahlreichen Senioren, die mich fast immer unterstützt haben