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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
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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
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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 !
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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…)
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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
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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
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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
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„Kohlebilder“: (aus Glucose/Stärke/Pflanzenteilen)
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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
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Es geht auch mit den 90 % (deutsche) Abfallbiomasse industrielle Biomasseabfälle: Zuckerrüben (5 Mt), Rapsstroh (20 Mt), Klärschlämme (10 Mt),
Das klassische Teller/Tank Problem ?
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Das Problem und die Chance das Missverhältnis von Produkt und Abfall
90% werden „weggeworfen“ Biomasse ->Bioethanol ca. 3 - 6 % Effizienz
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Eine Pilotanlage, ppp mit der Max Planck Gesellschaft
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Ein Film
Gut für ca. 10000 t/Jahr…
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Was tun mit 8 Gt Kohlenstoff ?
8 GT C
Klassisch. Brennstoff
High-tech: Industrielle Rohstoffe
„wegwerfen“… Boden-Verbesserer
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Biochar and „Terra Preta“: C- polymers as soil conditioner
www. biochar-international.org
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„klassisches“ reaction engineering
Bilder: Dank an Dr Heiko Pieplow
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Bicontinous nanosponges
On molecular and nanoscale:
no biotexture left
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Globaler Bodenabbau
Source: FAO
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Teil 2: Energie
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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
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Painting attributed to Cherubino Cornienti (1855)
Harnessing the Power of the Sun
Archimedes “Death Ray” reflecting the sun to burn Roman ships
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The Genesis Project
640 GWh (2016), ca 50 MW
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Antelope Ranch: Photovoltaics
266 MW power
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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
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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
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Fakten, die Einfachheit erfordern
Solarkonstante in Europa: 2 €/m2*a (verdünnt !!) Denke „Landwirtschaft“, nicht high tech TON eines Solarkatalysators: 1 * 1011
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Aber wie ?
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Alpha to omega (der Zeitpunkt Null)
Theia und Hyperion:
Die Geburt von Erde und Mond
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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…
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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)
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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
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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
N N
N
N
NNNNNNNNNN
N N N N N N N N N N
N
N N N N N N
NNNNNNNNN
N N N N N N N N N
NNNNNN
N
N
N N N N N N N N N
N
N
NNNNNNNN
N
N
N
N
N
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
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Lend from: Youtube, „Pharao`s serpent“
Carbon nitride: most simple…
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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
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Bandlagen: ideal für die photochemische Wasserspaltung
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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
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„Carbon Nitride 2.0“ (reloaded): (farbiger, leitfähiger, bessere Bandlagen ) - Neue Precursoren für bessere Kristalle - Supramolekulare Vororientierung - Nano-Hybridisierung, Heterojunctions
Jetzt: aktivere Photocalayse
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New chemistry by expanding the redox-range
New Oxidation chemistry
Li
Co5+
Fe3+
dyes
CN-X
NO3- - e– NO3· (König)
Cl2 - 2e- 2 Cl+
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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
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d=1.04 nm
d=0.31-0.32 nm
Products of salt melt synthesis (LiCl/KCl): Morphology
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The structure: Rietveld refined
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Wasserstofferzeugung aus Salzwasser
Guigang Zhang, Jiani Qin
IPQY = 0.65
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Einfacher und höherer Wert als H2: Cofactor regeneration
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Efficiency and selectivity: a coupler is needed
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NADH-generation under optimized conditions: Coining Light energy into biological currency
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A „Frankensteinian“ approach: Coupling AP with enzymes and cells
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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
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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