Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nutzen Sonnenlicht um, in einen komplexen biochemischen Prozess, der in spezialisierten Strukturen, den Chloroplasten, stattfindet, aus Wasser und Kohlendioxid (CO2) energiereiche Verbindungen herzustellen. Die Effizienz dieses natürlichen Prozesses wird jedoch durch Stoffwechselwege eingeschränkt, die bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie nur eine geringe Effizienz aufweisen.
Künstliche photokatalytische Zyklen haben zwar höhere intrinsische Wirkungsgrade gezeigt, sind aber in der Regel auf reines oder hochkonzentriertes CO2 und organische Medien angewiesen, um eine Zersetzung des Katalysators durch Wasser oder Protonen zu verhindern.
Forschungsteams unter der Leitung von Professor David Lee Phillips vom Fachbereich Chemie der Universität Hongkong (HKU), Professorin Lili Du von der Jiangsu-Universität (HKU-Doktorandin), Professor Ruquan Ye von der City University of Hong Kong und Professor Jia Tian vom Shanghai Institute of Organic Chemistry haben ein neuartiges und umweltfreundliches System entwickelt, das Lichtenergie für den photokatalytischen Prozess effektiv nutzen kann. Dieses künstliche System ist hochstabil und wiederverwertbar und kommt ohne Edelmetalle aus, was es wirtschaftlich rentabler und nachhaltiger macht.
Hintergrund und Leistung
In der Natur nutzen Organismen einen Prozess namens „hierarchische Selbstorganisation“, um die Lichtausbeute zu optimieren. Während dieses Prozesses organisieren sie photokatalytische Komponenten in einer maßgeschneiderten Umgebung, die durch Gerüste auf Lipid- oder Proteinbasis bereitgestellt wird. Um eine hohe Stabilität, Selektivität und Effizienz zu erreichen, beruht die Photosynthese auf einer großen Oberfläche und einer präzisen räumlichen Kontrolle der Chromophormoleküle und der katalytischen Zentren durch Selbstorganisation, was ein Konstruktionsprinzip für hocheffiziente künstliche photokatalytische Systeme darstellt.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass Vesikel und Mizellen, die durch den Zusammenbau von natürlichen Lipiden oder synthetischen Tensiden mit photokatalytischen Spezies gebildet werden, als Mikroreaktoren fungieren. Diese Strukturen wirken als Mikroreaktoren und ahmen die Umgebung von Zellmembranen nach. Die Nachbildung der natürlichen Lichtsammelkomplexe auf synthetischem Wege ist jedoch schwer zu realisieren und bei weitem nicht kosteneffizient.
Das Team der HKU und seine Mitarbeiter haben ein selbstorganisierendes künstliches kugelförmiges Chromatophor-Nanomikelsystem in Wasser entwickelt, das vom Photosyntheseapparat von Rhodobacter sphaeroides inspiriert ist, einer Bakterienart, die häufig im Boden und im Süßwasser vorkommt und eine spezielle Struktur besitzt, die als „kugelförmiges lichtsammelndes Chromatophor“ bezeichnet wird. Diese Struktur fungiert als Lichtsensor und verfügt über die Fähigkeit, die Sonnenenergie durch einen einzigartigen Effekt, den so genannten „sphärischen Antenneneffekt“, der durch kreisförmige Anordnungen bestimmter Moleküle auf der Oberfläche des Chromatophors entsteht, effizient zu übertragen. Dadurch können die Bakterien das Sonnenlicht einfangen und effektiv für ihren Energiebedarf nutzen.
Dieses künstliche System besteht aus winzigen kugelförmigen Strukturen, den so genannten Nanomikrozellen, die sich in wässrigen Lösungen selbst zusammensetzen und ahmt das kugelförmige, Licht erntende Chromatophor der Bakterien nach. Diese Nanomikrozellen dienen als Bausteine des Systems. Das System verwendet modifizierte Moleküle und lichtabsorbierende Verbindungen, die als „Aramid-Linker-verstärkte Zn-Porphyrin-Amphiphile“ bekannt sind und mit einem Co-Katalysator durch elektrostatische Kräfte interagieren, was zu einer einzigartigen hierarchischen Anordnung führt. Diese Anordnung wird also durch den „sphärischen Antenneneffekt“ hervorgerufen und verbessert das System, um Energie für photokatalytische Prozesse einzufangen und zu entzünden.
Die hierarchische Selbstorganisation des Systems bietet eine vielversprechende Bottom-up-Strategie zur Schaffung eines präzise kontrollierten künstlichen photokatalytischen Systems mit hoher Stabilität und Effizienz auf der Grundlage billiger und auf der Erde reichlich vorhandener Elemente anstelle teurer Edelmetalle.
Kommentare der Forscher
Professor David Phillips sagt: „Unsere Forschung hat das Potenzial, die erneuerbaren Energien voranzubringen, indem wir die effizienten Lichtsammelmechanismen der Natur nachbilden. Dies könnte zu nachhaltigen Lösungen für unseren Energiebedarf und zur Herstellung von kohlenstoffneutralen Brennstoffen führen und so zu einer grüneren Zukunft beitragen“.
Professor Lili Du sagt: „Das selbst-organisierende künstliche System ist ein wichtiger Schritt zur Erschließung des vollen Potenzials der Solarenergieumwandlung. Durch die Verbesserung der photokatalytischen Effizienz und Stabilität können Einschränkungen überwunden und eine sauberere, nachhaltigere Energielandschaft geschaffen werden. Diese Forschung bietet vielversprechende praktische Anwendungen für die Kraftstoffherstellung, die Kohlenstoffabscheidung und die Umweltsanierung“.
