Die Untersuchung grundlegender chemischer Prozesse nimmt in der Wissenschaft einen wichtigen Platz ein. Forschende der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität München haben in ihrer neuesten Studie die Mechanismen der Elektronenübertragung in chemischen Reaktionen detailliert untersucht. Diese Ergebnisse wurden kürzlich im Journal Nature Chemistry veröffentlicht und zeigen, dass Redoxreaktionen weitreichende Anwendungen in der Natur und Technik haben.
Redoxreaktionen sind essentielle Prozesse, die sowohl in der Zellatmung als auch in der Photosynthese eine zentrale Rolle spielen. Beispielsweise wird dabei Glucose in der Zellatmung zu Kohlenstoffdioxid oxidiert, während Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Diese Prozesse sind nicht nur biologisch bedeutend, sondern auch industriell relevant, da sie in Batterien und Brennstoffzellen, die elektrische Energie aus chemischer Energie erzeugen, involviert sind. Elektrophysiologisch können Redoxreaktionen auch durch externe Spannung erzwungen werden, etwa bei der Elektrolyse zur Chlor- und Wasserstofferzeugung.
Protonen-gekoppelte Elektronenübertragung
Ein neuer Fokus der Forschung basiert auf der Protonen-gekoppelten Elektronenübertragung (PCET). Diese Methode ermöglicht es, Redoxreaktionen ohne Änderung der Gesamtladung ablaufen zu lassen. Die Wissenschaftler unterscheiden grundsätzlich zwischen zwei Mechanismen der PCET: der konzertierten Übertragung, bei der Elektronen und Protonen gleichzeitig übertragen werden, und der stufenweisen Übertragung, bei der diese Schritte getrennt erfolgen. Bislang gab es jedoch keine direkte Methode, um zwischen diesen beiden Mechanismen zu differenzieren.
Um Lichtreaktionen zu untersuchen, analysierten die Forscher den Einfluss von hohem Druck auf lichtinduzierte Reaktionen eines speziellen photosensitiven Moleküls in Lösung. Dabei zeigte sich, dass hoher Druck, bis zum 1.200-fachen des atmosphärischen Drucks, die Reaktionsgeschwindigkeit in signifikantem Maße beeinflusste. Konstante Geschwindigkeiten deuteten auf konzertierte Reaktionen hin, während veränderte Geschwindigkeiten auf stufenweise Reaktionen schließen ließen.
Auswirkungen auf künftige Technologien
Die Fähigkeit, eine Reaktion durch Druckerhöhung von einem stufenweisen in einen konzertierten Mechanismus zu steuern, eröffnet neue Perspektiven für die Forschung. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für das grundlegende Verständnis von Elektronen- und Protonenbewegungen wichtig, sondern könnten auch Auswirkungen auf neue Technologien zur Umwandlung und Speicherung chemischer Energie haben. Dies ist insbesondere relevant für Anwendungen in der solarer Brennstofferzeugung und Wasserstoffproduktion.
Die Mechanismen von Redoxreaktionen sind somit ein Schlüssel zur Entwicklung neuer energieeffizienter Technologien. In einer Welt, die zunehmend auf nachhaltige Energielösungen angewiesen ist, stehen die Forscher vor der Herausforderung, diese komplexen chemischen Prozesse weiter zu entschlüsseln und anzuwenden.
