Robert Klatt
Ein neues Photokatalysesystem, das effizienter als die natürliche Photosynthese ist, kann CO₂ in Wasser mit Licht in Methan und Wasserstoff umwandeln, die als Treibstoff verwendet werden können.
Hong Kong (China). Photokatalyse ist jede durch Licht verursachte chemische Reaktion. Der verstorbene deutschbaltische Chemiker Friedrich Wilhelm Ostwald definiert Photokatalyse wie folgt:
„Endlich gibt es zahlreiche Stoffe, deren Zusatz bereits bei sehr geringen Mengen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ändert. In der Mehrzahl der Fälle beteiligen sich diese Stoffe insofern nicht am chemischen Vorgang, als man sie während desselben und auch nach demselben in praktisch unveränderter Menge wiederfindet. Das schließt allerdings nicht aus, dass sie sich an der Reaktion beteiligen, sondern erfordert nur die Annahme, dass die Beteiligung vorübergehend ist, daher dass sich diese Stoffe aus den Reaktionsprodukten wieder in unverändertem Zustand freimachen.“
Forscher der The University of Hong Kong (HKU), der City University of Hong Kong (CityU), der Jiangsu Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben nun ein Photokatalysesystem entwickelt, das eine höhere Effizienz hat als die natürliche Photosynthese. Laut der Publikation im Fachmagazin Nature Catalysis kann das Photokatalysesystem CO₂ in Wasser effizient mit Licht in Methan umwandeln, das als Treibstoff verwendet werden kann.
Das künstliche Photokatalysesystem ist den natürlichen Chloroplasten, also den Zellen, die in Pflanzen per Photosynthese Energie produzieren, nachempfunden. Die Wissenschaft versucht bereits seit Langem diesen Prozess nachzubilden und hat dabei etwa Algen erschaffen, die mit einer modifizierten Photosynthese Wasserstoff erzeugen. Laut Ye Ruquan ist die Umwandlungen von CO₂ in Wasser aber problematisch.
„Es ist jedoch schwierig, CO₂ im Wasser umzuwandeln, da viele Photosensibilisatoren oder Katalysatoren im Wasser zerfallen. Obwohl künstliche Photokatalyse-Zyklen eine höhere intrinsische Effizienz aufweisen, haben die geringe Selektivität und Stabilität im Wasser ihre praktische Anwendung behindert.“
Die Forscher um Ruquan haben deshalb einen supramolekularen Ansatz verwendet, der die Struktur von Chromatophoren von violetten Bakterien nachbildet. Diese Mikroorganismen können Energie aus der Sonne effizient nutzen. Das neue Photokatalysesystem nutzt ein künstliches Nanomicell mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Ende. Der hydrophile Kopf des Nanomicells funktioniert als Photosensibilisator zur Lichtaufnahme und der hydrophobe Schwanz leitet die Selbstorganisation ein.
Die Nanomicellen, die aus einer Art Polymer bestehen, organisieren sich durch die Wasserstoffbrückenbildung selbst. Wird ein Kobaltkatalysator hinzugegeben, produziert die Photokatalyse Methan und Wasserstoff. Modernste Bildgebungstechniken, die die atomaren Eigenschaften des Photosensibilisators zeigen, haben offenbart, dass die spezielle Struktur des hydrophilen Kopfes des Nanomicells zusammen mit der Wasserstoffbrückenbildung zwischen den Wassermolekülen und dem Schwanz des Nanomicells einen stabilen, wasserkompatiblen künstlichen Photosensibilisator bilden.
Laut Ye besitzt das innovative Photokatalysesystem überdies den Vorteil, dass es keine teuren Edelmetalle benötigt und nachhaltig ist.
„Die hierarchische Selbstorganisation des Systems bietet eine vielversprechende Grundlagenstrategie, um ein präzise kontrolliertes, leistungsstarkes künstliches Photokatalyse-System auf Basis günstiger, auf der Erde häufig vorkommender Elemente wie Zink und Kobalt-Porphyrin-Komplexen zu schaffen.“
Die Forscher sind deshalb der Ansicht, dass ihre Entwicklung die Basis für Photokatalysesysteme zur CO₂-Umwandlung mit Solarenergie bilden kann und somit dabei helfen wird, die Kohlenstoffneutralität zu erreichen.
Nature Catalysis, doi: 10.1038/s41929-023-00962-z
