Effizienzsteigerung bei künstlicher Photosynthese
«Die künstliche Photosynthese ist der heilige Gral der Chemie», sagt Astrid Olaya, Chemieingenieurin am Institut für Chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen (ISIC) der EPFL: «Es geht darum, Sonnenlicht einzufangen, einerseits Wasser zu oxidieren, um Sauerstoff und Protonen zu erzeugen, und andererseits entweder Protonen zu Wasserstoff oder CO2 zu Chemikalien und Brennstoffen zu reduzieren. Das ist die Essenz einer chemischen Kreislaufwirtschaft».
Angesichts des weltweit steigenden Energiebedarfs brauchen wir praktikable Alternativen zu fossilen Brennstoffen, deren negative Umweltauswirkungen nur allzu deutlich geworden sind. Eine dieser Alternativen ist Wasserstoff, der in einfachen Brennstoffzellen zur Energiegewinnung verbraucht werden kann, wobei nur Wasser zurückbleibt.
Eine Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ist die «Wasserspaltung», bei der Wassermoleküle in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden. Bei der künstlichen Photosynthese wird Licht absorbiert, um die für die Spaltung der Wassermoleküle erforderliche Energie zu erzeugen.
Der klassische Aufbau einer künstlichen Photosynthesevorrichtung ist relativ einfach: ein lichtabsorbierender Farbstoff, die so genannte Antenne, gekoppelt mit einem Halbleiter, der die elektrischen Ladungen trennt (Anode und Kathode), und einem Elektrokatalysator, der die Reduktions-Oxidationsreaktion des Wassers antreibt.
Der Prozess ist jedoch zu langsam. Die Oxidation von Wasser mit sichtbarem Licht (z. B. Sonnenlicht) ist nach wie vor ein Engpass für die künstliche Photosynthese, der die Entwicklung in grossem Massstab trotz mehr als einem halben Jahrhundert Forschung behindert: «Das Problem liegt in der Schwierigkeit, Elektrodenmaterialien mit hoher chemischer Stabilität, geeigneten optoelektronischen Eigenschaften und hoher katalytischer Effizienz zu finden», sagt Olaya.
Antennen steigern die Effizienz
Im Labor von Hubert Girault an der EPFL hat Olaya eine Studie durchgeführt, die einen neuen Ansatz für die künstliche Photosynthese liefert. Die Arbeit wurde im Journal of the American Chemical Society Gold (JACS Au) veröffentlicht.
«In dieser Studie haben wir Wasser mit einem einfachen organischen Molekül, nämlich Tetrathiafulvalen (TTF), photooxidiert», sagt Olaya, «es hat sich gezeigt, dass eine Salzversion von TTF sich selbst zu Mikroröhrchen anordnen kann, die als Antennen fungieren, um das sichtbare Licht einzufangen und als Elektronenpumpen, um Wasser zu Sauerstoff zu oxidieren.» Normalerweise ist dies eine langsame, mehrstufige Reaktion, aber der Stapel von TTF-Salzmolekülen kann die vier Elektronen einfangen, die zur Oxidation eines Wassermoleküls benötigt werden.
Eine ölige Note
Die Forschenden verwendeten auch Wasser in einer Ölemulsion. «Die TTF-Antenne kann sich in der Ölphase in der Nähe der Wasserphase befinden, wo die bei der Wasseroxidation entstehenden Protonen extrahiert werden», sagt Olaya. «Wie bei der natürlichen Photosynthese ermöglicht das biphasische System eine effiziente Trennung der Reaktanten und Produkte.»
TTF besteht nur aus Kohlenstoff-, Schwefel- und Wasserstoffatomen, die alle weithin verfügbar sind. Das bedeutet, dass die neue Methode auch kosteneffizient und nachhaltig ist, da sie keine Edelmetallionen wie Platin oder Iridium benötigt. «Diese Arbeit ist ein neuer Weg, um die künstliche Photosynthese mit nur wenigen einfachen organischen Molekülen anzugehen», sagt Olaya.
