Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ringsystem mit Charme

03.05.2016

Eine saubere, klimafreundliche Energiequelle, die nahezu unerschöpflich ist: Das verspricht die künstliche Photosynthese. Chemikern der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen. In der Fachzeitschrift Nature Chemistry stellen sie ihre Ergebnisse vor.

Die Natur macht es vor: Im Rahmen der Photosynthese erzeugen Pflanzen mit Hilfe von Licht aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) energiereiche organische Verbindungen, meist in Form von Kohlehydraten, und Sauerstoff (O2).


Drei Rutheniumatome, die über speziell geformte organische Verbindungen miteinander verbunden sind, sorgen dafür, dass das Photosystem effizienter arbeitet als seine Vorgänger.

Grafik: Valentin Kunz & Marcus Schulze

Wenn es gelingt, diesen Prozess in einem großen Maßstab künstlich nachzuahmen, wären etliche Probleme der Menschheit vermutlich gelöst. Die künstliche Photosynthese könnte die Erde mit Brennstoffen hoher Energiedichte wie Wasserstoff, Methan oder Methanol versorgen und – nebenbei – den Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre verringern und somit den Klimawandel bremsen.

Die Entwicklung der dafür notwendigen effizienten Katalysatoren und der dazugehörigen Farbstoffe bildet einen Schwerpunkt der Forschung am Lehrstuhl von Professor Frank Würthner am Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg.

Dort konnten zwei von Prof. Würthners Doktoranden, Marcus Schulze und Valentin Kunz, jetzt einen Teilerfolg auf dem Weg dorthin vermelden. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Verbesserungen an einem künstlichen Photosystem

„In der Natur ist das sogenannte Photosystem II zentraler Bestandteil des Photosynthese-Prozesses“, erklärt Marcus Schulze. Dabei handelt es sich um einen Proteinkomplex mit einem katalytisch aktiven Zentrum bestehend aus mehreren Metallatomen. Sie müssen zusammenarbeiten, damit Wasser in seine beiden elementaren Bestandteile gespalten werden kann, was in zwei räumlich getrennt ablaufenden elektrochemischen Halbreaktionen stattfindet. Diese beiden Reaktionen im Labor nachzubilden, ist heute schon möglich.

Allerdings: „Die Wasserstoffgewinnung gelingt bereits gut. Nur die Wasseroxidation zu Sauerstoff muss noch beschleunigt werden, damit die Balance der einzelnen Halbreaktionen zueinander passt“, sagt Schulze.

Für die künstliche Photosynthese setzt die Wissenschaft noch häufig auf das seltene Edelmetall Ruthenium als Katalysator. Das künstliche System arbeitet im Prinzip ähnlich gut wie sein natürliches Vorbild. Der Katalysator neigt allerdings dazu, sich relativ schnell selbst zu zersetzen. An diesem Punkt haben die beiden Würzburger Chemiker angesetzt: „Wir haben die Ruthenium-Atome in spezielle supramolekulare Strukturen eingebaut, welche die Zerstörung bremsen und eine Art ‚Selbstheilungsprozess‘ ermöglichen“, erklärt Valentin Kunz.

Zwei Jahre Arbeit im Labor

Wie einen Ring kann man sich diese Struktur vorstellen, in dem drei Rutheniumatome über drei sogenannte Liganden – speziell geformte organische Verbindungen – miteinander verbunden sind. Maßgeschneiderte Bindungsstellen garantieren, dass Metallzentren und Liganden zueinander passen wie ein Schlüssel zum Schloss. Was sich vergleichsweise einfach anhört, war in Wirklichkeit eine mehr als zwei Jahre andauernde Tüftelarbeit im Labor. „Man dreht nach und nach an verschiedenen Schrauben und schaut, was passiert“, beschreibt Kunz diese Vorgehensweise.

Das Ergebnis ist ein „zyklisches System, das sich von selbst aus definierten Einzelbausteinen zusammensetzt“, wie die beiden Chemiker erklären. Sein einfacher Aufbau, seine einfache Herstellung und die Tatsache, dass sich die Bausteine ohne großen technischen Aufwand von alleine zur gewünschten Struktur aneinander reihen, mache „aus synthetischer Sicht“ dessen Charme aus. Diese Eigenschaft mache es für potenzielle Anwendungen besser geeignet als die bisher verwendeten Systeme.

Die nächsten Schritte

Dass der von ihnen entwickelte Wasseroxidationskatalysator zusätzlich eine höhere Effizienz aufweist, freut die Chemiker – auch wenn sie dafür noch keine eindeutige Erklärung haben. Die können möglicherweise die Experten für theoretische Chemie in absehbarer Zeit liefern, mit denen Frank Würthners Lehrstuhl eng zusammenarbeitet. Roland Mitrić, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der Universität Würzburg, und dessen Mitarbeiterin Merle Röhr suchen mit ihren Formeln und Algorithmen jedenfalls schon nach einer Antwort auf diese Frage.

Auch wenn das System der beiden Nachwuchswissenschaftler besser als seine Vorgänger ist: „Von der Marktreife sind wir noch weit entfernt“, erklärt Marcus Schulze. Und: „Was wir machen, ist Grundlagenforschung“, ergänzt Valentin Kunz. Dabei stehen die nächsten Schritte schon fest: Zum einen wollen die Chemiker weitere Veränderungen an der Struktur ihres Katalysators und deren Auswirkungen auf die Funktion untersuchen. Zum anderen wollen sie es mit Farbstoffen verbinden, damit die Reaktion photokatalytisch – also mit Hilfe von Licht – abläuft.

Das Verbundprojekt Soltech

Die Arbeit von Marcus Schulze und Valentin Kunz lief im Rahmen des bayernweiten Verbundprojekts Soltech (Solar Technologies Go Hybrid). 2012 gestartet, fördert der Freistaat Bayern damit die Erforschung neuer Konzepte zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und nichtfossile Brennstoffe. Daran beteiligt sind sogenannte Key Labs an folgenden Universitäten: Universität Bayreuth, Universität Erlangen-Nürnberg, LMU München, TU München und Universität Würzburg.

Das Würzburger Key Lab ist am Zentrum für Nanosystemchemie angesiedelt. Dieses ist 2010 auf Initiative von Professor Frank Würthner entstanden. Seine Forschungsgruppe beschäftigt sich zum einen damit, kleine organische Moleküle gezielt zu größeren Verbänden zu arrangieren, die dann Sonnenlicht absorbieren und an Elektroden transportieren können, wo eine Umwandlung in elektrischen Strom erfolgt. Die Entwicklung künstlicher Chloroplasten, die ähnlich wie in einer pflanzlichen Zelle Lichtenergie zur Erzeugung von Brennstoffen nutzen, ist ein weiteres Ziel des Würzburger Key Labs.

Weitere Würzburger Beteiligte an dem Verbundprojekt sind die Arbeitsgruppen der Professoren Tobias Brixner, Christoph Lambert, Florian Beuerle, Roland Mitrić und Todd Marder aus der Chemie sowie der Teams von Vladimir Dyakonov und Jens Pflaum in der Physik.

A supramolecular ruthenium macrocycle with high catalytic activity for water oxidation that mechanistically mimics photosystem II; Marcus Schulze, Valentin Kunz, Peter D. Frischmann and Frank Würthner; Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.2503

Kontakt

Prof. Dr. Frank Würthner, Institut für Organische Chemie der Universität Würzburg, T: (0931) 31-85340, wuerthner@chemie.uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

http://www.nanosystems-chemistry.uni-wuerzburg.de/home/ Zentrum für Nanosystemchemie
http://www.soltech-go-hybrid.de/ Verbundprojekt Soltech

Gunnar Bartsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen
16.01.2018 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

nachricht Leuchtende Echsen - Knochenbasierte Fluoreszenz bei Chamäleons
15.01.2018 | Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Im Focus: Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

Fachtagung analytica conference 2018

15.01.2018 | Veranstaltungen

Tagung „Elektronikkühlung - Wärmemanagement“ vom 06. - 07.03.2018 in Essen

11.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal mit neuem Onlineauftritt - Lösungskompetenz für alle IT-Szenarien

16.01.2018 | Unternehmensmeldung

Die „dunkle“ Seite der Spin-Physik

16.01.2018 | Physik Astronomie

Wetteranomalien verstärken Meereisschwund

16.01.2018 | Geowissenschaften