Forschungsteams weltweit haben erhebliche Fortschritte in der Nachahmung der natürlichen Fotosynthese erzielt, und neue Entwicklungen im Bereich der Photochemie belegen dies eindrucksvoll. Ein Team der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat einen neuartigen Metallkomplex auf Basis von Mangan entwickelt, der die Lebensdauer angeregter Zustände revolutioniert und neue Möglichkeiten für nachhaltige Anwendungen eröffnet.
Licht wird zunehmend als Energiequelle für chemische Reaktionen genutzt, jedoch basierten bisherige Katalysatoren häufig auf seltenen und kostspieligen Metallen wie Ruthenium, Osmium oder Iridium. Im Gegensatz dazu ist Mangan nicht nur kostengünstig, sondern auch über 100.000-mal häufiger als Ruthenium zu finden. Der neue Mangankomplex hat zudem eine außergewöhnliche Lebensdauer von über 190 Nanosekunden.
Revolutionäre Eigenschaften des neuen Mangankomplexes
Der Mangankomplex wurde durch eine einfache Synthese in nur einem Schritt aus kommerziell erhältlichen Ausgangsstoffen hergestellt. Diese Synthese kombiniert ein farbloses Mangan-Salz mit einem farblosen Liganden, was zu einer tiefvioletten Farbe führt. Diese bemerkenswerte Eigenschaft ermöglicht eine starke Lichtabsorption und hohe Effizienz bei der Lichtnutzung. Der Komplex kann Elektronen auf andere Moleküle übertragen, was durch die Detektion des initialen Produkts der Photoreaktion eindeutig nachgewiesen wurde.
Die Entdeckung des Forschungsteams erweitert die Möglichkeiten der nachhaltigen Photochemie und hat potenzielle Anwendungen in der Wasserstoffgewinnung, einem kritischen Bereich der erneuerbaren Energien. Das Ziel ist, Wassermoleküle mithilfe solarer Energie effizient zu spalten und chemische Energieträger zu gewinnen.
Innovation in der künstlichen Photosynthese
Parallel dazu arbeiten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion an der künstlichen Nachahmung der natürlichen Fotosynthese zur Entwicklung sauberer Energieträger. Der Fokus liegt auf der lichtinduzierten Wasserspaltung, einem Prozess, der in der Natur vorkommt, aber technisch komplex zu reproduzieren ist. Das Team hat die Struktur eines Mangan-Kalzium-Komplexes, der Wasser spaltet und Sauerstoff erzeugt, erfolgreich aufgeklärt.
Der Katalysator besteht aus vier Mangan-Atomen und einem Kalzium-Atom, die in ein Membranprotein des Fotosystems II eingebettet sind. Durch einen Zyklus, der Protonen, Elektronen und molekularen Sauerstoff freisetzt, könnte dieser Ansatz zur Entwicklung kostengünstiger, bio-inspirierter Katalysatoren führen, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen insbesondere im Verkehrssektor reduzieren.
Die Herausforderung, die Struktur des Mangan-Kalzium-Komplexes zu isolieren und zu charakterisieren, wurde mit modernster Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) und neuen theoretischen Methoden gemeistert. Diese Erkenntnisse können als Blaupause für zukünftige künstliche Systeme dienen, die Sonnenenergie als chemisch verfügbare Energie speichern.
Bedeutung und Ausblick
Die Entwicklungen sowohl am Institut Mainz als auch am Max-Planck-Institut sind wegweisend. Forscher arbeiten daran, die katalytischen Prozesse weiter zu optimieren, insbesondere die Oxidation von Wasser, die eine zentrale chemische Reaktion der Fotosynthese darstellt. Die Verwendung häufiger und kostengünstiger Metalle wie Mangan könnte die Produktionskosten von Wasserstoff und anderen solarer Brennstoffen signifikant senken.
Die Aussicht auf effektive künstliche Photosynthese, die mehrere Probleme der Energiegewinnung und der Reduktion von Kohlendioxid in der Atmosphäre löst, wird damit nicht nur realistischer, sondern ist auch ein Schritt in Richtung einer zukunftsfähigen Energieerzeugung.
