Chemieingenieure der EPFL haben einen neuen Ansatz für die künstliche Photosynthese entwickelt. Damit kommen sie womöglich dem Ziel, diese Meisterleistung der Natur in grossem Massstab nachzuahmen, einen Schritt näher.
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.
«Die künstliche Photosynthese ist der heilige Gral aller Chemiker.»
Astrid Olaya, Chemieingenieurin an der EPFL
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.
«Die künstliche Photosynthese ist der heilige Gral aller Chemiker», sagt Astrid Olaya, Chemieingenieurin am Institute of Chemical Sciences and Engineering (ISIC) der EPFL. «Das Ziel ist es, 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».
Antennen steigern die Effizienz
Der klassische Aufbau einer künstlichen Photosynthese-Vorrichtung 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, der die Entwicklung der künstlichen Photosynthese für den Massstab verhindert – trotz mehr als einem halben Jahrhundert Forschung. «Das Problem ist, dass es schwierig ist, Elektrodenmaterialien mit sowohl hoher chemischer Stabilität als auch geeigneten optoelektronischen Eigenschaften und hoher katalytischer Effizienz zu finden», sagt Olaya.
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 ein bestimmtes Salz 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.
Die Forschenden verwendeten auch Wasser in einer Ölemulsion. «Die TTF-Antenne kann sich in der Ölphase in der Nähe der Wasserphase befinden, wo die Protonen, die bei der Oxidation des Wassers entstehen, extrahiert werden», sagt Olaya. «Wie bei der natürlichen Photosynthese ermöglicht das biphasische System eine effiziente Trennung von Reaktanten und Produkten.»
Ganz ohne Edelmetalle
TTF besteht nur aus Kohlenstoff-, Schwefel- und Wasserstoffatomen, die alle weithin verfügbar sind. Das bedeutet, dass die neue Methode auch kostengünstig und nachhaltig ist, da sie keine Edelmetallionen wie Platin oder Iridium benötigt. «Diese Arbeit ist ein neuer Ansatz für die künstliche Photosynthese mit nur wenigen einfachen organischen Molekülen», sagt Olaya.
Nik Papageorgiou, EPFL
