22.01.2015, 14:34 Uhr

Energie: Auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese

Münster - Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie (HZB) in Berlin haben einen wichtigen Schritt gemacht, um den Photosynthese-Prozess in künstlicher Umgebung besser zu verstehen. Könnte man die Photosynthese grüner Pflanzen künstlich nachahmen, wären die Energieprobleme der Menschheit gelöst. Ganz so weit ist es aber noch nicht.

Grüne Pflanzen haben mit der Photosynthese einen Mechanismus entwickelt, die Energieprobleme zu lösen: Sie nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Substanzen wie Zucker aufzubauen. Was sich einfach anhört, ist in der konkreten Umsetzung und Nachahmung höchst kompliziert.

Ziel: künstliche Photosynthese

Die Moleküle des so genannten „Oxygen Evolution Centre“, wo die Photosynthese-Vorgänge in den Pflanzenzellen stattfinden, sind nicht nur hochkomplex, sondern auch 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.

Auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese durch deutsch-australische Kooperation

Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science an der Monash University in Australien sind dem chemische Katalysatoren zur Wasserspaltung auf der Spur, die zu ähnlicher Leistungsfähigkeit gebracht werden sollen wie die Photosynthese-Enzyme. Vor einiger Zeit haben die Wissenschaftler bereits herausgefunden, dass als Energieumwandler Mangan-Komplexe am besten geeignet sind, die zudem in eine Nafion-Matrix – einem Teflon-ähnlichen Polymer – eingebettet sind.

„Beim Kontakt mit Nafion bilden die Mangan-Komplexe Nanopartikel aus Manganoxiden“, sagt Spiccia von der Monash Universität: „Diese Oxide katalysieren bei Lichteinfall die Oxidation von Wasser, also die Reaktion, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Der Wasserstoff kann als Energieträger gespeichert werden.“

Weitere Vorgehensweise: Optimierung von Mangan-Komplexen

„Wir wollten nun herausfinden, welcher der zahlreichen möglichen Mangan-Komplexe in Nafion die besten Manganoxide bildet“, beschreibt Munirah Khan von der Freien Universität Berlin ihre Aufgabe. Die Methoden sollen weiter entwickelt werden, erläutert Emad Aziz vom HZB. Aufbauend auf dem Verständnis der Vorgänge ist es das Ziel herauszufinden, ob und unter welchen Bedingungen die Materialien für technische Anwendungen genutzt werden können und zwar so, dass Licht in chemische Energie umgewandelt wird. Das ist die nächste Etappe auf dem zu einer kontinuierlichen, umweltfreundlichen und kostengünstigen Speicherung von Sonnenenergie.

Über die Forschungs-Teams zur künstlichen Photosynthese

Die Arbeiten zur künstlichen Photosynthese fanden im Rahmen einer Kooperation des HZB mit der School of Chemistry und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science an der Monash University in Australien statt. Die Teams um Professor Emad Aziz, Leiter des HZB-Instituts „Methoden der Materialentwicklung“ und Professor Leone Spiccia von der Monash University haben Ergebnisse ihrer Forschung heute im Journal „ChemSUSChem“ (DOI: 10.1002/cssc.201403219) und vor kurzem im „Journal of Materials Chemistry A“ der renommierten Royal Society of Chemistry veröffentlicht (DOI: 10.1039/c4ta04185b).