Von der Natur lernen

Ein Team um Bettina Lotsch, Professorin am Department Chemie der LMU und am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, hat auf Basis eines graphitähnlichen Kohlenstoffnitrides ein Polymer entwickelt, das einen wichtigen Teilschritt der „künstlichen Photosynthese“ – die photokatalytische Entwicklung des solaren Brennstoffes Wasserstoff – dem Vorbild der Natur effektiver nachahmt als bisherige Materialen. Es speichert Elektronen, die durch Licht in Gegenwart eines Elektronendonors erzeugt wurden, und kann sie nach Bedarf wieder abgeben. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Mithilfe des neuartigen Kohlenstoffnitrid-Polymers lassen sich die Prozesse der künstlichen Photosynthese entkoppeln. Wie in der Natur wird zunächst Lichtenergie aufgenommen. Die durch Licht und einen Elektronendonor generierten Elektronen werden im Material in Form ultralanglebiger Radikale gespeichert, die durch eine intensive Blaufärbung erkennbar sind. Die im Licht gebildeten Elektronen werden dann – durch Zugabe eines Co-Katalysators – nach Bedarf freigesetzt und für die Produktion von Wasserstoff verwendet. Durch die zeitverzögerte Freisetzung der Elektronen ist die Wasserstoffproduktion unabhängig von der direkten Sonneneinstrahlung und kann sogar im Dunkeln stattfinden. „Beide Prozesse – die Photoreduktion in der Lichtphase und die katalytische Umsetzung zu Wasserstoff in der Dunkelphase – finden im selben Material statt. Das ist ein großer Vorteil gegenüber bisherigen Ansätzen, in denen sich die Bildung und der Verbrauch der Ladungsträger nicht entkoppeln lassen oder – wie in der Natur – eine komplexe Elektronentransportkette durchlaufen werden muss, um Energie in Form der Moleküle NADPH und ATP zu speichern“, sagt Bettina Lotsch. Das verwendete Polymer ist zudem preiswert und einfach in der Herstellung.

Das neuartige Material bietet sich als Speichermedium für Sonnenenergie an. „Unser System kann Sonnenenergie speichern und zeitverzögert freisetzen“, sagt Filip Podjaski, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch. Die LMU/Max-Planck-Chemiker hoffen, dass sich daraus solare Energiespeicher entwickeln lassen, die entkoppelt von der Verfügbarkeit der Sonneneinstrahlung Energie in Form von solaren Brennstoffen nach Bedarf abgeben können. (Angewandte Chemie 2016)

Mehr zur Forschung von Bettina Lotsch : Farbkodierender Sensor: Nano für berührungsfreie Touchscreens (vom 23.09.2015) Energie aus Sonnenlicht: Wasserstoff nach Wunsch (vom 30.9.2015)