Seit Jahrhunderten wandelt die Natur Sonnenlicht auf perfekte Weise in Energie um. Seit vielen Jahren versuchen Wissenschaftler, diesen Prozess nachzuahmen, um saubere Brennstoffe ohne Kohlendioxidemissionen herzustellen. Bislang waren dafür jedoch komplexe Reaktionen und sehr intensives Licht erforderlich.
Forscher der Universität Basel haben eine interessante Entdeckung gemacht, die diese Situation ändern könnte. Das von ihnen entwickelte Molekül ist in der Lage, unter Einwirkung von Licht, dessen Intensität der des Sonnenlichts nahekommt, gleichzeitig vier elektrische Ladungen zu speichern. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Herstellung von Wasserstoff, Methanol und anderen kohlenstoffneutralen Brennstoffen.
Fünfkomponentige Molekülstruktur
Die Grundlage der Entdeckung bildet die sogenannte molekulare Pentade – ein Molekül, das aus fünf miteinander verbundenen Elementen besteht. Die beiden äußeren Teile geben Elektronen ab und werden positiv geladen, die beiden anderen nehmen diese Elektronen auf und werden negativ geladen, während der mittlere Teil das Sonnenlicht einfängt und den gesamten Prozess in Gang setzt.
Diese molekulare Architektur ermöglicht es, eine Quanteneffizienz von 37 % bei der Erzeugung eines Photoprodukts zu erreichen, das etwa 3,0 Elektronenvolt Energie speichert. Die Ladungen bleiben über 100 Nanosekunden lang stabil, was für die Verwendung in weiteren chemischen Reaktionen ausreichend ist.
Wichtig ist, dass der Prozess der Erzeugung von vier Ladungen dank zweier aufeinanderfolgender Lichtblitze schrittweise erfolgt. Jedes vom zentralen Teil des Photosensibilisators absorbierte Photon trägt zur Akkumulation nachfolgender Ladungen bei.
Funktion bei schwachem Licht
Die wichtigste Innovation der Schweizer Forscher ist die Strategie der sequenziellen Absorption von Photonen. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die eine sehr intensive Beleuchtung erfordern, arbeitet das neue System mit einer Lichtintensität, die fünf Größenordnungen unter der vergleichbarer Lösungen liegt.
Die zweistufige Anregung ermöglicht die Verwendung von Licht mit einer Intensität, die der natürlichen Sonnenstrahlung nahekommt. Der Zustand der Ladungstrennung erreicht eine außergewöhnliche Stabilität – die Ladungen bleiben 120 Mikrosekunden lang in einem Abstand von etwa 4,4 Nanometern getrennt. In der Welt der molekularen Reaktionen reicht dies aus, um nützliche chemische Umwandlungen durchzuführen.
Die Innovation dieses Ansatzes besteht darin, dass auf Methoden verzichtet wird, die die gleichzeitige Anregung mehrerer lichtabsorbierender Elemente erfordern. Ein einziger Photosensibilisator arbeitet sequenziell, was das gesamte System erheblich vereinfacht.
Perspektiven für die praktische Anwendung
Obwohl die Schweizer Wissenschaftler noch kein voll funktionsfähiges System für künstliche Photosynthese entwickelt haben, ist ihre Entdeckung ein wichtiges Mosaiksteinchen. Die vorübergehende Speicherung mehrerer Ladungen ist eine notwendige Voraussetzung für Reaktionen wie die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff oder die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche chemische Verbindungen.
Die Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry bestätigt die Bedeutung der Entdeckung für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Diese Forschungen verbessern das Verständnis des Elektronentransfers – eines Prozesses, der für jedes System der künstlichen Photosynthese von entscheidender Bedeutung ist – erheblich.
Die Aussichten für die praktische Anwendung scheinen vielversprechend, sollten jedoch mit vorsichtigem Optimismus betrachtet werden. Das System könnte potenziell zur Herstellung von reinem Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeuge, Methanol zur Energiespeicherung oder sogar synthetischem Benzin, das CO2-neutral ist, verwendet werden. Und das alles nur mit Sonnenlicht als Energiequelle.
Die Weiterentwicklung dieser Technologie könnte zu einer nachhaltigen Energiezukunft beitragen, in der fossile Brennstoffe durch saubere Alternativen ersetzt werden, die direkt aus Sonnenlicht hergestellt werden. Auch wenn die Kommerzialisierung noch in weiter Ferne liegt, wird in den Labors der Universität Basel der Grundstein für diesen potenziellen Wandel gelegt.
