Künstliche Photosynthese: Katalysator-Folie macht aus Wasser und Licht wertvolle Ameisensäure

Forschern an der University Cambridge ist es gelungen, einen sogenannten Photosheet zu entwickeln, der die Prozesse der pflanzlichen Photosynthese nachahmt. Dies könnte einen bedeutenden Durchbruch darstellen. Denn bisher gelingt es nur echten Pflanzen, aus Licht, Wasser und CO2 energiereiche organische Verbindungen zu erzeugen. Sämtliche Versuche diesen Prozess künstlich nachzubauen, scheiterten bisher oder blieben im Anfangsstadium stecken. Die Forscher rund um Qian Wang in Cambridge haben nun aber einen zweistufigen Katalyseprozess entwickelt, bei dem aus den bekannten drei Grundmaterialien die organische Verbindung Ameisensäure entsteht. Diese wiederum lässt sich einfach lagern und transportieren. Sie kann außerdem als Basis für die Produktion von organischen Kraftstoffen oder sogar grünem Wasserstoff dienen.

Es entstehen nur wenige unerwünschte Nebenprodukte

Grundsätzlich besteht der Photosheet aus einer dünnen Goldfolie, in die zwei Halbleiterkomplexe integriert sind. Im ersten Komplex werden bei Lichteinfluss Elektronen aus dem Wasser aufgenommen und zu Sauerstoff und Protonen oxidiert. Anschließend wandern die Elektronen durch die Goldfolie in den zweiten Komplex. Dort sorgt ein kobaltbasierter Katalysator dafür, dass aus den Elektronen und CO2 die gewünschte Ameisensäure wird. Der große Vorteil des Systems: Als Energiequelle wird lediglich Licht benötigt. Außerdem entstehen bei dem Prozess nur wenig ungewünschte Nebenprodukte. Die sogenannte Selektivität liegt bei 97 Prozent – was deutlich besser ist als bei allen vorherigen Ansätzen. Die Forscher sind sich daher sicher, den richtigen Weg gefunden zu haben, um die natürliche Photosynthese in großem Stil nachzubilden.

Der Wirkungsgrad muss noch verbessert werden

Vor einem möglichen industriellen Einsatz muss allerdings ein Problem gelöst werden: Der Wirkungsgrad ist aktuell noch zu niedrig. So liegt die Licht-zu-Ameisensäure-Konversion bei nur 0,08 Prozent. Die Forscher geben daher offen zu, dass hier noch erhebliche Verbesserungen nötig sind. Ihr Ansatz: Sie suchen nach noch besseren Katalysatoren. So wird aktuell bereits mit Modellen experimentiert, bei denen der kobalbasierte Katalysator durch andere Moleküle ersetzt wird. Mit dem jetzt präsentierten Ansatz sollte lediglich gezeigt werden, dass das verwendete Prinzip grundsätzlich funktioniert. Sollten sich tatsächlich bessere Katalysatoren finden, könnte die künstliche Photosynthese schnell und einfach skaliert werden. Denn schon heute ist es technisch möglich, entsprechende Goldfolien mit einer Größe von mehreren Quadratmetern herzustellen.

Via: University of Cambridge