Synthesegas und Akku-Power mit Energie aus dem Sonnenlicht

Dr. Philip Stanley kontrolliert einen Kolben, in dem sich das neue Material in einer wässrigen Lösung befindet.
Foto: Astrid Eckert / TUM

Mithilfe der Photosynthese gewinnen Pflanzen Energie aus dem Sonnenlicht. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben dieses Prinzip als Grundlage genommen, um neue nachhaltige Verfahren zu entwickeln, mit denen in Zukunft Synthesegas für die chemische Großindustrie hergestellt und Batterien aufgeladen werden könnten.

Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ist ein wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung vieler chemischer Grundstoffe wie Ammoniak, Methanol und synthetischer Kohlenwasserstoffkraftstoffe. „Synthesegas wird momentan allerdings fast ausschließlich mithilfe fossiler Rohstoffe hergestellt“, erklärt Prof. Roland Fischer vom Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie der TUM.

Ein gelbliches Pulver, das ein Forschungsteam um Fischer entwickelt hat, soll das ändern. Inspirieren ließen sich die Wissenschaftler:innen durch die Photosynthese, den Prozess, mit dem Pflanzen aus Licht chemische Energie gewinnen. „Die Natur braucht dazu Kohlendioxid und Wasser“, sagt Fischer. Das von den Forschenden entwickelte Nanomaterial ahmt die Eigenschaften der an der Photosynthese beteiligen Enzyme nach. Das „Nanozym“ soll aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Synthesegas produzieren.

Rekordwert bei der Effizienz

Dr. Philip Stanley, der das Thema im Rahmen seiner Doktorarbeit bearbeitet hat, erklärt: „Ein Molekül übernimmt die Aufgabe einer Energie-Antenne analog zu einem Chlorophyll-Molekül der Pflanzen. Dabei wird Licht aufgenommen und Elektronen zu einem Reaktionszentrum, dem Katalysator, weitergeleitet.“ Das Innovative an dem System der Forschenden: Es gibt gleich zwei Reaktionszentren, die an die Antenne gekoppelt sind. In einem wird Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgewandelt und im anderen Wasserstoff aus Wasser gewonnen. Die große Herausforderung bei der Konstruktion war, dass in dem System die Antenne, der Weiterleitungsmechanismus für die Elektronen und die beiden Katalysatoren so angeordnet sind, dass eine möglichst hohe Lichtausbeute erzeugt wird.

Dies ist gelungen. „Unsere Energieausbeute aus dem Licht ist mit 36 Prozent spektakulär hoch“, sagt Stanley. „Wir können bis zu jedes dritte Photon, also Lichtteilchen, in chemische Energie umsetzen. Bisherige Systeme waren hier höchstens im Bereich von jedem zehnten Teilchen. Dieses Ergebnis lässt hoffen, dass eine technische Umsetzung industrielle chemische Prozesse nachhaltiger machen könnte.“

Fotokondensatoren für Ladungsspeicherung

In einem anderen Projekt arbeiten die Forschenden an einem weiteren Material, das elektrische Energie aus der Sonne nutzt – in diesem Fall aber als elektrische Energie speichert. „Eine mögliche zukünftige Anwendung könnten Batterien sein, die durch Sonnenlicht aufgeladen werden, ohne den Umweg über die Steckdose“, erklärt Fischer.

Bei der Entwicklung dieser sogenannten Fotokondensatoren verwenden die Forschenden ähnliche Bausteine wie bei dem Nanozym. Auch hier absorbiert das Material selbst Photonen aus dem eingestrahlten Licht. Doch statt im Anschluss als Katalysator für eine chemische Reaktion zu dienen, ist der Energie-Empfänger so eng in die Struktur eingebunden, dass er in diesem Zustand verbleibt und so eine langfristige Speicherung der Elektronen ermöglicht wird. Die Machbarkeit des Systems haben die Forschenden im Labor bewiesen.

„Es gibt zwei Arten, Sonnenenergie direkt zu nutzen“, resümiert Dr. Julien Warnan, Habilitand und Gruppenleiter Photokatalyse. „Wir gewinnen entweder elektrische Energie daraus, oder wir nutzen die Energie, um chemische Reaktionen anzutreiben. Mit zwei Systemen, die auf dem gleichen Prinzip beruhen, ist uns beides experimentell gelungen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Roland Fischer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie
+49 89 289 13080
roland.fischer@tum.de
https://www.ch.nat.tum.de/amc/home/

Originalpublikation:

Stanley, P.M., Haimerl, J., Shustova, N.B., Fischer, R. A., Warnan, J., Merging molecular catalysts and metal–organic frameworks for photocatalytic fuel production. Nat. Chem. 2022, 14, 1342–1356. https://doi.org/10.1038/s41557-022-01093-x

http://www.tum.de

Media Contact

Stefanie Reiffert Corporate Communications Center
Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie

Der innovations-report bietet im Bereich der "Life Sciences" Berichte und Artikel über Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse der modernen Biologie, der Chemie und der Humanmedizin.

Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Bakteriologie, Biochemie, Bionik, Bioinformatik, Biophysik, Biotechnologie, Genetik, Geobotanik, Humanbiologie, Meeresbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie, Zellbiologie, Zoologie, Bioanorganische Chemie, Mikrochemie und Umweltchemie.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

KI-basierte Software in der Mammographie

Eine neue Software unterstützt Medizinerinnen und Mediziner, Brustkrebs im frühen Stadium zu entdecken. // Die KI-basierte Mammographie steht allen Patientinnen zur Verfügung und erhöht ihre Überlebenschance. Am Universitätsklinikum Carl Gustav…

Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft

Während Computerchips Jahr für Jahr kleiner und schneller werden, bleibt bisher eine Herausforderung ungelöst: Das Zusammenbringen von Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip. Zwar gibt es Bauteile wie MikroLEDs…

Antibiotika: Gleicher Angriffspunkt – unterschiedliche Wirkung

Neue antimikrobielle Strategien sind dringend erforderlich, um Krankheitserreger einzudämmen. Das gilt insbesondere für Gram-negative Bakterien, die durch eine dicke zweite Membran vor dem Angriff von Antibiotika geschützt sind. Mikrobiologinnen und…

Partner & Förderer