Das Ziel einer nachhaltigen Chemie hat Chemiker dazu motiviert, erneuerbare Energien für chemische Reaktionen zu nutzen, gefährliche Abfälle zu minimieren und die Atomökonomie zu maximieren. Mit der Photosynthese liefert die Natur einen Bauplan, bei dem unter Sonneneinstrahlung aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenhydrate entstehen.
Da dieser Prozess jedoch auf einem komplexen System mit mehreren Enzymen und Lichtsammelantennen beruht, ist die Effizienz der Solarenergieumwandlung grundsätzlich gering. Künstliche Photosynthesesysteme sind seit langem ein wissenschaftliches Anliegen und bieten potenzielle Lösungen für eine nachhaltige Chemie.
Ein Team an der University of Chicago unter der Leitung von Prof. Wenbin Lin hat an der Entwicklung künstlicher photokatalytischer Systeme unter Verwendung von Gerüstmaterialien gearbeitet – einer Klasse poröser Materialien, die durch periodische Bindung von Metall und organischen Bausteinen gebildet werden.
Durch den Einsatz modernster Techniken zur Charakterisierung dieser Materialien haben die Forscher ein tiefes Verständnis dafür gewonnen, wie solche künstlichen Systeme auf molekularer Ebene funktionieren. Dieses Wissen hat es ihnen ermöglicht, die Materialien für verschiedene lichtgesteuerte Reaktionen zu optimieren.
In einer Kurzrezension veröffentlicht in Kohlenstoffzukunft Am 13. September 2024 fassten die Forscher ihre jüngsten Erfolge in der künstlichen Photosynthese und Photokatalyse zusammen, um wichtige Fortschritte und zukünftige Chancen hervorzuheben.
„Die Natur führt Präzisionschemie in Organismen durch, um komplexe Moleküle herzustellen, oft unter Einbußen bei der Effizienz“, sagte Prof. Wenbin Lin.
„Wir müssen die Natur übertreffen, um die Herausforderungen zu meistern, vor denen wir heute stehen, und glücklicherweise haben wir durch die präzise Kontrolle der Strukturen und Zusammensetzungen von Gerüstmaterialien künstliche Systeme entwickelt, die ihre homogenen Analoga deutlich übertreffen.“
Der Aufsatz zeigt, wie chemische Modifikationen von Gerüstmaterialien deren Leistung bei photosyntheseähnlichen Reaktionen optimieren können.
Um diese Ziele zu erreichen, identifizierte das Team wesentliche Komponenten und überprüfte ihre Rollen. Photosensibilisatoren absorbieren wie Chlorophylle Lichtenergie. Katalysatoren nutzen diese Energie wie Enzyme, um chemische Reaktionen anzutreiben. Diese Photosensibilisatoren und Katalysatoren mit sorgfältig abgestimmter Energie und Elektronentransferkinetik wurden in Gerüstmaterialien eingebaut.
„Der Einbau der richtigen Photosensibilisatoren und Katalysatoren in Gerüstmaterialien kann deren Leistung um mehr als eine Größenordnung gegenüber einfachen Mischungen von Photosensibilisatoren und Katalysatoren in Lösungen steigern“, erklärte Lin.
Das Team demonstrierte mit diesen Materialien erhebliche Verbesserungen bei einem Dutzend Arten photokatalytischer Reaktionen. Die Verstärkung beruht auf einem „Vororganisationseffekt“, der auch in natürlichen Systemen zu finden ist, wo Photosensibilisatoren und Katalysatoren an bestimmten Positionen angeordnet sind, um chemische Reaktionen anzukurbeln.
Die Gerüstmaterialien lassen sich leicht durch Zentrifugation oder Filtration aus den Reaktionsmischungen zurückgewinnen. Die gewonnenen Materialien werden in Folgereaktionen ohne Verlust der katalytischen Aktivität verwendet. In einem Beispiel wurde das Gerüstmaterial in acht Zyklen der Eintopfsynthese eines kardiotonischen Mittels ohne Verschlechterung der katalytischen Leistung verwendet.
„Wir glauben, dass dieser Durchbruch ein großes Potenzial für die nachhaltige Synthese von Pharmazeutika und anderen Mehrwertprodukten birgt und dass diese Forschungsbemühungen zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen werden“, sagte Lin.
„Die Prinzipien, die wir hier gelernt haben, können auf viele andere Systeme angewendet werden.“ Das Team hofft, dass ihre Rezension andere Forscher dazu inspirieren wird, andere katalytische Materialien auf molekularer Ebene rational zu entwerfen.
Der erste Autor war Yingjie Fan (Ph.D. ’24, jetzt Postdoktorandin an der UC Berkeley).
Weitere Informationen:
Yingjie Fan et al, Rationales Design multifunktionaler Gerüstmaterialien für nachhaltige Photokatalyse, Kohlenstoffzukunft (2024). DOI: 10.26599/CF.2024.9200018
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