Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ist ein wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung vieler chemischer Grundstoffe wie Ammoniak, Methanol und synthetischer Kohlenwasserstoffkraftstoffe. „Synthesegas wird momentan allerdings fast ausschließlich mithilfe fossiler Rohstoffe hergestellt“, sagt Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie der Technischen Universität München (TUM). Ein gelbliches Pulver, das ein Forschungsteam um Fischer entwickelt hat, soll das ändern. Inspirieren ließen sich die Wissenschaftler:innen durch die Photosynthese, den Prozess, mit dem Pflanzen aus Licht chemische Energie gewinnen. „Die Natur braucht dazu Kohlendioxid und Wasser“, sagt Fischer. Das von den Forschenden entwickelte Nanomaterial ahmt die Eigenschaften der an der Photosynthese beteiligen Enzyme nach. Die künstliche Photosynthese mit dem „Nanozym“ soll aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Synthesegas produzieren und sie erreicht dabei eine hohe Lichtausbeute.

Rekordwert bei der Lichtausbeute für die künstliche Photosynthese

„Ein Molekül übernimmt die Aufgabe einer Energie-Antenne analog zu einem Chlorophyll-Molekül der Pflanzen.“, sagt Philip Stanley, der das Thema im Rahmen seiner Doktorarbeit bearbeitet hat. „Dabei wird Licht aufgenommen und Elektronen zu einem Reaktionszentrum, dem Katalysator, weitergeleitet.“ Das Innovative an dem System der Forschenden: Es gibt gleich zwei Reaktionszentren, die an die Antenne gekoppelt sind. In einem wird Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgewandelt und im anderen Wasserstoff aus Wasser gewonnen. Die große Herausforderung bei der Konstruktion war, dass in dem System die Antenne, der Weiterleitungsmechanismus für die Elektronen und die beiden Katalysatoren so angeordnet sind, dass man eine möglichst hohe Lichtausbeute generiert.

„Unsere Energieausbeute aus dem Licht ist mit 36 Prozent spektakulär hoch“, sagt Stanley. „Wir können bis zu jedem dritten Photon in chemische Energie umsetzen. Bisherige Systeme waren hier höchstens im Bereich von jedem zehnten Teilchen. Dieses Ergebnis lässt hoffen, dass eine technische Umsetzung industrielle chemische Prozesse nachhaltiger machen könnte.“

Fotokondensatoren für Ladungsspeicherung

In einem anderen Projekt arbeiten die Forschenden an einem weiteren Material, das elektrische Energie aus der Sonne nutzt – in diesem Fall aber als elektrische Energie speichert. „Eine mögliche zukünftige Anwendung könnten Batterien sein, die durch Sonnenlicht aufgeladen werden, ohne den Umweg über die Steckdose“, so Fischer.

Bei der Entwicklung dieser sogenannten Fotokondensatoren verwenden die Forschenden ähnliche Bausteine wie bei dem Nanozym. Auch hier absorbiert das Material selbst Photonen aus dem eingestrahlten Licht. Doch statt im Anschluss als Katalysator für eine chemische Reaktion zu dienen, ist der Energie-Empfänger so eng in die Struktur eingebunden, dass er in diesem Zustand verbleibt. Somit ist eine langfristige Speicherung der Elektronen möglich. Die Machbarkeit des Systems haben die Forschenden im Labor bewiesen.

21.3.2023 | Quelle: TUM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH