Chemiker entwickeln ein System der „künstlichen Photosynthese“, das zehnmal effizienter ist als bestehende Systeme

Von Louise Lerner

10. November 2022

In den letzten zwei Jahrhunderten war der Mensch bei der Energiegewinnung auf fossile Brennstoffe angewiesen; Hunderte Millionen Jahre Photosynthese verpackt in einer praktischen, energiedichten Substanz. Doch dieser Vorrat ist begrenzt und der Verbrauch fossiler Brennstoffe hat enorme negative Auswirkungen auf das Erdklima.

„Die größte Herausforderung, die vielen Menschen nicht bewusst ist, besteht darin, dass selbst die Natur keine Lösung für die Menge an Energie hat, die wir verbrauchen“, sagte Wenbin Lin, Chemiker von der University of Chicago. Nicht einmal die Photosynthese sei so gut, sagte er: „Wir müssen es besser machen als die Natur, und das ist beängstigend.“

Eine mögliche Option, die Wissenschaftler erforschen, ist die „künstliche Photosynthese“ – die Umgestaltung des Systems einer Pflanze, um unsere eigenen Arten von Kraftstoffen herzustellen. Allerdings ist die chemische Ausrüstung in einem einzelnen Blatt unglaublich komplex und lässt sich nicht so einfach für unsere eigenen Zwecke nutzen.

Eine Nature Catalysis-Studie von sechs Chemikern der University of Chicago zeigt ein innovatives neues System zur künstlichen Photosynthese, das um eine Größenordnung produktiver ist als frühere künstliche Systeme. Im Gegensatz zur regulären Photosynthese, bei der Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser hergestellt werden, könnte die künstliche Photosynthese Ethanol, Methan oder andere Kraftstoffe produzieren.

Auch wenn es noch ein langer Weg ist, bis es zu einer Möglichkeit wird, Ihr Auto jeden Tag zu tanken, gibt die Methode den Wissenschaftlern eine neue Richtung zum Erforschen – und könnte kurzfristig für die Produktion anderer Chemikalien nützlich sein.

„Dies stellt eine enorme Verbesserung gegenüber bestehenden Systemen dar, aber genauso wichtig ist, dass wir ein sehr klares Verständnis dafür entwickeln konnten, wie dieses künstliche System auf molekularer Ebene funktioniert, was bisher noch nicht erreicht wurde“, sagte Lin, der das ist James Franck Professor für Chemie an der University of Chicago und leitender Autor der Studie.

„Ohne die natürliche Photosynthese wären wir nicht hier. Sie erzeugt den Sauerstoff, den wir auf der Erde atmen, und die Nahrung, die wir essen“, sagte Lin. „Aber es wird nie effizient genug sein, um uns mit Treibstoff zum Autofahren zu versorgen; wir werden also etwas anderes brauchen.“

Das Problem besteht darin, dass die Photosynthese darauf ausgelegt ist, Kohlenhydrate zu erzeugen, die sich hervorragend für die Energiegewinnung eignen, nicht jedoch unsere Autos, die viel konzentriertere Energie benötigen. Daher müssen Forscher, die Alternativen zu fossilen Brennstoffen schaffen wollen, den Prozess umgestalten, um energiedichtere Brennstoffe wie Ethanol oder Methan herzustellen.

In der Natur wird die Photosynthese durch mehrere sehr komplexe Anordnungen von Proteinen und Pigmenten durchgeführt. Sie nehmen Wasser und Kohlendioxid auf, brechen die Moleküle auseinander und ordnen die Atome neu an, um Kohlenhydrate zu bilden – eine lange Kette von Wasserstoff-Sauerstoff-Kohlenstoff-Verbindungen. Wissenschaftler müssen die Reaktionen jedoch überarbeiten, um stattdessen eine andere Anordnung zu erzeugen, bei der nur Wasserstoff einen saftigen Kohlenstoffkern umgibt – CH4, auch bekannt als Methan.

Dieses Re-Engineering ist viel schwieriger, als es sich anhört; Seit Jahrzehnten tüfteln Menschen daran und versuchen, der Leistungsfähigkeit der Natur näher zu kommen.

Lin und sein Laborteam dachten, sie könnten versuchen, etwas hinzuzufügen, was in künstlichen Photosynthesesystemen bisher nicht enthalten war: Aminosäuren.

Das Team begann mit einem Materialtyp namens „Metal-Organic Framework“ (MOF), einer Klasse von Verbindungen, die aus Metallionen bestehen, die durch organische Verbindungsmoleküle zusammengehalten werden. Anschließend entwarfen sie die MOFs als Einzelschicht, um die größtmögliche Oberfläche für chemische Reaktionen bereitzustellen, und tauchten alles in eine Lösung, die eine Kobaltverbindung zum Transport von Elektronen enthielt. Schließlich fügten sie den MOFs Aminosäuren hinzu und experimentierten, um herauszufinden, welche am besten funktionierten.

Sie konnten beide Reaktionshälften verbessern: den Prozess, der Wasser aufspaltet, und den Prozess, der dem Kohlendioxid Elektronen und Protonen hinzufügt. In beiden Fällen trugen die Aminosäuren dazu bei, dass die Reaktion effizienter ablief.

Trotz der deutlich verbesserten Leistung hat die künstliche Photosynthese jedoch noch einen langen Weg vor sich, bis sie genügend Treibstoff produzieren kann, um für eine breite Anwendung relevant zu sein. „Wo wir jetzt sind, müsste es um viele Größenordnungen vergrößert werden, um eine ausreichende Menge Methan für unseren Verbrauch herzustellen“, sagte Lin.

Der Durchbruch könnte auch auf andere chemische Reaktionen weitreichend angewendet werden; Man muss viel Treibstoff herstellen, damit es Wirkung zeigt, aber viel kleinere Mengen einiger Moleküle, etwa der Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Arzneimitteln und Nylons, könnten sehr nützlich sein.

„Viele dieser grundlegenden Prozesse sind gleich“, sagte Lin. „Wenn man gute Chemikalien entwickelt, können sie in viele Systeme integriert werden.“

Die Wissenschaftler nutzten Ressourcen der Advanced Photon Source, einem Synchrotron im Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, um die Materialien zu charakterisieren.

Die Co-Erstautoren des Artikels waren Guangxu Lan (PhD'20, jetzt an der Universität Peking), Doktorand Yingjie Fan und Wenjie Shi (Gaststudent, jetzt an der Tianjin University of Technology). Die anderen Autoren des Artikels waren Eric You (BS'20, jetzt Doktorand am MIT) und Samuel Veroneau (BS'20, jetzt Doktorand an der Harvard University).

Zitat: „Biomimetische aktive Zentren auf einschichtigen metallorganischen Gerüsten für die künstliche Photosynthese.“ Lan et al, Nature Catalysis, 10. November 2022.

Finanzierung: University of Chicago, National Science Foundation, China Scholarship Council

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