Künstliches Blatt zur Wasserstoffherstellung

Ein Phänomen, das künstlich nachvollzogen werden soll, könnte die Zukunft der Energieversorgung radikal verändern. Es geht um den Vorgang der Photosythese, den chinesische Forscher auf einem künstlichen Blatt nachahmen wollen. Damit soll Wasser in die zwei Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff geteilt werden.

Das Forscherteam um Tongxiang Fan vom State Key Laboratory of Metal Matrix Composites an der Shanghai Universität will mit seinem Projekt anders an die künstliche Photosynthese herangehen als andere Forscher. Sie versuchen nicht, die Moleküle, die am Vorgang beteiligt sind, nachzubauen, sondern die „Architektur“ der grünen Blätter von Pflanzen, berichten sie im Fachmagazin Advanced Materials

Das Geheimnis liegt in der Blattstruktur

Fan und sein Team haben zunächst Blätter der Rebenblättrigen Anemone (Anemone vitifolia) mit Salzsäure behandelt und daraufhin die Magnesiumatome, die einen wesentlichen Anteil der photosynthetischen Maschinerie tragen, gegen Titan ersetzt. Dann wurden die Blätter getrocknet und auf 500 Grad Celsius erhitzt, sodass das übrig gebliebene Blattmaterial weg gebrannt wurde. Übrig geblieben ist ein kristallisiertes Titandioxid-Flechtwerk mit natürlichen Blattstrukturen.

Titandioxid wird heute schon in Solarzellen als „Verstärker“ zur Effizienzerhöhung genutzt. In den Blättern wirkt es als Katalysator bei der Aufspaltung der Wassermoleküle. Nachgebaut wurden von den Forschern auch die wie Linsen wirkenden Zellen an der Blattoberfläche, die Licht von jedem Winkel aufnehmen können sowie Venen, die Licht noch tiefer ins Blatt transportieren.

Sehr feine Details nachgebaut

Die künstlichen Blätter enthalten auch sehr feine Nachbildungen der so genannten Thykaloide – das sind Membransysteme, die in den Chloroplasten pflanzlicher Zellen vorkommen und in denen die Lichtreaktion der Photosynthese stattfindet. Diese sind nur rund zehn Nanometer dick. „Genau diese Eigenschaften machen die künstlichen Blätter so effizient bei der Herstellung von Wasserstoff“, so Fan.

Die Forscher haben die künstlichen Blätter in eine 20-prozentige Methanollösung getränkt und sie anschließend mit sichtbarem ultraviolettem Licht bestrahlt. Im Vergleich zum kommerziell verfügbaren Titandioxid P25, das zur Herstellung von Wasserstoff in Verwendung ist, absorbierten die künstlichen Blätter mehr als doppelt so viel Licht und gaben mehr als dreimal so viel Wasserstoff ab.