de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Universität Cambridge hat eine künstliche Blattvorrichtung entwickelt, die eine Kombination aus organischen Halbleitern und Bakterienenzymen nutzt, um Sonnenlicht und Kohlendioxid direkt in Treibstoff umzuwandeln – ohne fossile Rohstoffe. Die im Fachjournal Joule veröffentlichte Studie bietet einen neuen Weg zur Dekarbonisierung der chemischen Industrie.
Die chemische Industrie ist derzeit fast vollständig auf fossile Brennstoffe angewiesen – nicht nur als Energiequelle, sondern auch als Rohstoff. Professor Erwin Reisner vom Yusuf Hamied Department of Chemistry der Universität Cambridge erklärt, die chemische Industrie sei ein komplexes Problem, das bei der Schaffung einer Kreislauf- und nachhaltigen Wirtschaft bewältigt werden müsse, und es gelte, Wege zur Dekarbonisierung dieses Sektors zu finden. Das Team von Reisner forscht seit langem an künstlichen Blättern – Geräten, die die Photosynthese nachahmen und nur mit Sonnenlicht und Kohlendioxid kohlenstoffbasierte Treibstoffe produzieren.
Frühere Designs künstlicher Blätter verwendeten anorganische Halbleiter oder synthetische Katalysatoren, die jedoch Probleme wie schnellen Abbau, schmale Spektralabsorption oder giftige Elemente (z. B. Blei) aufwiesen und sich nur schwer sauber skalieren ließen. Das neue Gerät kombiniert organische Halbleiter (abstimmbar, ungiftig und regulierbar) mit Enzymen aus sulfatreduzierenden Bakterien. Die Co-Erstautorin Dr. Celine Yeung weist darauf hin, dass das Gerät giftige Bestandteile entfernt und organische Elemente nutzt, um saubere chemische Reaktionen und ein einziges Endprodukt ohne unerwünschte Nebenreaktionen zu ermöglichen. Dies ist das erste Mal, dass organische Halbleiter als lichtabsorbierende Komponente in einem solchen biohybriden System eingesetzt werden, wodurch die Toxizitäts- und Instabilitätsprobleme früherer Systemgenerationen umgangen werden.
Das Gerät verwendet Enzyme aus sulfatreduzierenden Bakterien, um Wasser zu spalten oder Kohlendioxid in Formiat umzuwandeln. Durch die Einbettung eines Hilfsenzyms – der Carboanhydrase – in eine poröse Titandioxidstruktur konnte das Team das System zudem in einer einfachen Bicarbonatlösung (ähnlich wie Sodawasser) betreiben, ohne chemische Pufferzusätze. Der Co-Erstautor Dr. Yongpeng Liu sagt, das Team habe lange gebraucht, um zu verstehen, wie sich bestimmte Enzyme auf der Elektrode fixieren lassen – nun zeigten sich erste Erfolge.
In Tests erzeugte das Gerät hohe Photoströme und erreichte eine nahezu perfekte Faraday-Effizienz – nahezu alle durch Sonnenlicht erzeugten Elektronen wurden zur Treibstoffherstellung genutzt, anstatt in Nebenreaktionen verloren zu gehen. Das Gerät lief über 24 Stunden ununterbrochen – mehr als doppelt so lange wie frühere Designs. Anschließend fügte das Team das erzeugte Formiat in eine „Domino“-Reaktion ein, um pharmazeutische Verbindungen mit hoher Ausbeute und Reinheit zu synthetisieren. Dies belegt, dass das Blatt tatsächlich nützliche chemische Synthesen antreiben kann, anstatt nur isoliert Treibstoff zu produzieren.
Das Team betont, dass dies noch ein Ausgangspunkt und kein Endprodukt sei. Die Verlängerung der Lebensdauer des Geräts auf über 24 Stunden sei eine dringende Aufgabe, zudem müsse die Plattform angepasst werden, um ein breiteres Spektrum an chemischen Produkten herzustellen. Reisner erklärt, die Forschung habe gezeigt, dass sich solarbetriebene Geräte herstellen lassen, die effizient, langlebig und frei von toxischen oder nicht nachhaltigen Komponenten sind – dies könnte eine Grundlage für die zukünftige Produktion grüner Treibstoffe und Chemikalien sein. Die Studie wurde vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council), UK Research and Innovation (UKRI), der singapurischen A*STAR sowie dem Schweizerischen Nationalfonds (Swiss National Science Foundation) gefördert, was das breite internationale Interesse widerspiegelt.
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