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 Immunabwehr ohne Kollateralschaden
23.01.2017 | Universität Basel

nachricht Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens
23.01.2017 | Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland e.V.

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: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie