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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
N N
N
NH2
H2N NH2
∆
N
N N
N
N N
N
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NNNNNNNNNN
N N N N N N N N N N
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N
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N
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N
N
N N
NN
N
N
N
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
rban
ce (a
rbitr
ary
units
)
Wavelength (nm)
c
300 400 500 600 700 800
Abso
rban
ce (a
rbitr
ary
units
)
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
![Grüne Chemie in DE Blum 2011 [Kompatibilitätsmodus] · Grüne Chemie in Deutschland Grüne Chemie in Deutschland –– Überblick und Beispiele Symposium „Grüne Chemie“ Wien](https://img.pdfslide.net/doc/110x75/5d5bfc9f88c9936c6e8bbb95/gruene-chemie-in-de-blum-2011-kompatibilitaetsmodus-gruene-chemie-in-deutschland.jpg)
