Synthesegas aus Sonnenlicht Künstliches Enzym für die Synthesegas-Produktion

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Die Natur steht oft Pate für wissenschaftliche Entwicklungen. Forscher der Technischen Universität München haben sich nun die Photosynthese als Vorbild genommen und ein Nanomaterial entwickelt, das aus Kohlendioxid, Wasser und Licht das in vielen Industrieprozessen so wichtige Synthesegas erzeugt.

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“, erklärt Prof. Roland Fischer vom Lehrstuhl 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 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. Das „Nanozym“ soll aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Synthesegas produzieren.

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Hohe Effizienz bei der Katalyse

Dr. Philip Stanley, der das Thema im Rahmen seiner Doktorarbeit bearbeitet hat, erklärt: „Ein Molekül übernimmt die Aufgabe einer Energie-Antenne analog zu einem Chlorophyll-Molekül der Pflanzen. 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 eine möglichst hohe Lichtausbeute erzeugt wird.

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Dies ist gelungen. „Unsere Energieausbeute aus dem Licht ist mit 36 Prozent spektakulär hoch“, sagt Stanley. „Wir können bis zu jedes dritte Photon, also Lichtteilchen, 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“, erklärt Fischer.

Bei der Entwicklung dieser so genannten 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 und so eine langfristige Speicherung der Elektronen ermöglicht wird. Die Machbarkeit des Systems haben die Forschenden im Labor bewiesen.

„Es gibt zwei Arten, Sonnenenergie direkt zu nutzen“, resümiert Dr. Julien Warnan, Habilitand und Gruppenleiter Photokatalyse. „Wir gewinnen entweder elektrische Energie daraus, oder wir nutzen die Energie, um chemische Reaktionen anzutreiben. Mit zwei Systemen, die auf dem gleichen Prinzip beruhen, ist uns beides experimentell gelungen.“

Originalpublikationen: Stanley, P. M., Su, A. Y., Ramm, V., Fink, P., Kimna, C., Lieleg, O., Elsner, M., Lercher, J. A., Rieger, B., Warnan, J., Fischer, R. A., Photocatalytic CO2-to-Syngas Evolution with Molecular Catalyst Metal-Organic Framework Nanozymes. Adv. Mater. 2023, 35, 2207380.

Stanley, P. M., Sixt, F., Warnan, J., Decoupled Solar Energy Storage and Dark Photocatalysis in a 3D Metal–Organic Framework. Adv. Mater. 2023, 35, 2207280.

Stanley, P.M., Haimerl, J., Shustova, N.B., Fischer, R. A., Warnan, J., Merging molecular catalysts and metal–organic frameworks for photocatalytic fuel production. Nat. Chem. 2022, 14, 1342–1356.

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