Künstliche Photosynthese

Auf dem Weg zur Nachahmung der Photosynthese im Labor haben Wissenschaftler einen Meilenstein errungen: Mit einem effizienten Katalysator zur Spaltung von Wasser ist der Traum einer unerschöpflichen Energiequelle einen Schritt näher gerückt.

„Sonnenenergie in chemisch verfügbare Energie umzuwandeln ist eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen dieses Jahrhunderts“, schreiben Wissenschaftler in einer aktuellen Publikation. In der Tat: Mit der künstlichen Photosynthese ließen sich gleich mehrere Probleme lösen. Doch was Pflanzen offenbar mühelos gelingt, kann der Mensch immer noch nicht nachahmen.

Über Jahrmillionen optimiertes System

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Im Laufe der Evolution haben Pflanzen die Photosynthese entwickelt, mit der sie mit Hilfe von Sonnenlicht Energie gewinnen. Dazu benötigen sie lediglich Wasser und Kohlendioxid. In einem biochemischen Prozess spalten die Pflanzen Wassermoleküle und bauen Kohlenhydrate auf, die von der Pflanze sowohl als Energieträger als auch als Baustoff genutzt werden. Als „Abfallprodukt“ entsteht zudem Sauerstoff.

Treibhausgas reduzieren, um Energie zu gewinnen

Gelänge die künstliche Photosynthese, wäre das für mehrere Lebensbereiche des Menschen äußerst hilfreich: Angesichts der globalen Erwärmung sehen viele Wissenschaftler eine künstliche Photosynthese als Möglichkeit, um das Treibhausgas Kohlendioxid in der Atmosphäre mengenmäßig zu reduzieren. Außerdem würden bei diesem Prozess wertvolle Rohstoffe und Energieträger entstehen, beispielsweise Zucker, Stärke und Wasserstoff.

Das Prinzip der Photosynthese scheint zunächst simpel, der Nachbau hat sich allerdings als sehr schwierig erwiesen. Denn die Moleküle des sogenannten „Oxygen Evolution Centre“, wo diese Vorgänge in den Pflanzenzellen stattfinden, sind hochkomplex und sehr empfindlich. Wissenschaftler sind deshalb bestrebt, die katalytischen Vorgänge im Labor in künstlichen Systemen ablaufen zu lassen und diese für den kommerziellen Einsatz zu optimieren.

Die Oxidation von Wasser

Eine zentrale, chemische Reaktion der Photosynthese ist die Oxidation von Wasser, also jene Reaktion, bei der unter Lichteinfall Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Versuche, diese Reaktion im Labor nachzuahmen, scheiterten daran, dass bei der Oxidation von Wasser jede Menge Energie verloren geht. (2 H₂O / O₂ +4 H+ + 4e-). Diese Redoxreaktion findet bei allen Photosynthese treibenden Organismen im „Oxygen Evolution Centre“ im Photosystem II statt und beinhaltet einen Komplex aus Calcium, Mangan und Sauerstoff (CaMn₄O₅).

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Auf der Suche nach dem effizientesten Katalysator

Um die Oxidation von Wasser in Gang zu bringen, ist ein Katalysator nötig. Bereits seit mehreren Jahren haben Wissenschaftler verschiedene Katalysatoren auf ihre Eigenschaften hin geprüft, bis sich ein Stoff als besonders geeignet herauskristallisiert hat: Mangan-Komplexe, die in eine Nafion-Matrix – einem Teflon-ähnlichen Polymer – eingebettet sind. „Beim Kontakt mit Nafion bilden die Mangan-Komplexe Nanopartikel aus Manganoxiden“, erklärt Leone Spiccia, ein beteiligter Wissenschaftler. Mangan hat noch weitere Vorteile für den industriellen Einsatz: Es ist kostengünstig zu haben und umweltfreundlich. In ihren Versuchsreihen haben die Wissenschaftler herausgefunden, welcher der zahlreichen möglichen Mangan-Komplexe in Nafion die besten Manganoxide bildet: Ein von den Wissenschaftlern als Mn(III) bezeichneter Komplex erwies sich als Bildner der effizientesten Manganoxide.

Speicherung von Sonnenenergie bald möglich?

„Wir entwickeln jetzt unsere Methoden so weiter, dass wir katalytische Prozesse mit solchen neuen Materialien in Bezug auf ihr energetisches und zeitliches Verhalten untersuchen können“, sagt Emad Aziz, Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie in Berlin: „Unser Ziel ist es, synthetisch arbeitenden Chemikern ein genaues Bild dieser Vorgänge zu geben, um so ihre Forschung zur Funktion der Materialien zu unterstützen. So muss man zum Beispiel herausfinden, ob und unter welchen Bedingungen die Materialien für technische Anwendungen genutzt werden können, so dass Licht in chemische Energie umgewandelt wird. Wenn dies gelingt, wären wir auf dem Weg zu einer kontinuierlichen, umweltfreundlichen und kostengünstigen Speicherung von Sonnenenergie ein wesentliches Stück weiter gekommen.“