Chemiker schaffen ein „künstliches Photosynthese“-System, das zehnmal effizienter ist als bestehende Systeme

In den letzten zwei Jahrhunderten haben sich die Menschen für konzentrierte Energie auf fossile Brennstoffe verlassen; Hunderte von Millionen Jahren Photosynthese, verpackt in einer praktischen, energiedichten Substanz. Aber dieser Vorrat ist endlich, und der Verbrauch fossiler Brennstoffe hat enorme negative Auswirkungen auf das Klima der Erde.

„Die größte Herausforderung, die viele Menschen nicht erkennen, ist, dass selbst die Natur keine Lösung für die Menge an Energie hat, die wir verbrauchen“, sagte der Chemiker Wenbin Lin von der University of Chicago. Nicht einmal die Photosynthese sei so gut, sagte er: „Wir müssen es besser machen als die Natur, und das ist beängstigend.“

Eine mögliche Option, die Wissenschaftler erforschen, ist die „künstliche Photosynthese“ – die Überarbeitung eines Pflanzensystems, um unsere eigenen Arten von Kraftstoffen herzustellen. Die chemische Ausrüstung in einem einzigen Blatt ist jedoch unglaublich komplex und nicht so einfach für unsere eigenen Zwecke zu verwenden.

EIN Naturkatalyse Studie von sechs Chemikern der University of Chicago zeigt ein innovatives neues System für die künstliche Photosynthese, das um eine Größenordnung produktiver ist als bisherige künstliche Systeme. Im Gegensatz zur normalen Photosynthese, die Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser produziert, könnte die künstliche Photosynthese Ethanol, Methan oder andere Brennstoffe produzieren.

Obwohl es noch ein langer Weg ist, bis es zu einer Möglichkeit wird, Ihr Auto jeden Tag zu betanken, gibt die Methode den Wissenschaftlern eine neue Richtung, die sie erforschen können – und könnte kurzfristig für die Herstellung anderer Chemikalien nützlich sein.

„Dies ist eine enorme Verbesserung gegenüber bestehenden Systemen, aber ebenso wichtig ist, dass wir ein sehr klares Verständnis davon vermitteln konnten, wie dieses künstliche System auf molekularer Ebene funktioniert, was noch nie zuvor erreicht wurde“, sagte Lin, der das ist James Franck Professor für Chemie an der University of Chicago und Hauptautor der Studie.

„Wir werden etwas anderes brauchen“

„Ohne die natürliche Photosynthese wären wir nicht hier. Sie erzeugt den Sauerstoff, den wir auf der Erde atmen, und sie macht die Nahrung, die wir essen“, sagte Lin. „Aber es wird nie effizient genug sein, um uns mit Kraftstoff zu versorgen, damit wir Autos fahren können; also werden wir etwas anderes brauchen.“

Das Problem ist, dass die Photosynthese so aufgebaut ist, dass sie Kohlenhydrate erzeugt, die uns hervorragend versorgen, aber nicht unsere Autos, die viel mehr konzentrierte Energie benötigen. Forscher, die nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen suchen, müssen den Prozess umgestalten, um energiedichtere Brennstoffe wie Ethanol oder Methan herzustellen.

In der Natur wird die Photosynthese von mehreren sehr komplexen Anordnungen von Proteinen und Pigmenten durchgeführt. Sie nehmen Wasser und Kohlendioxid auf, brechen die Moleküle auseinander und ordnen die Atome neu an, um Kohlenhydrate herzustellen – eine lange Kette von Wasserstoff-Sauerstoff-Kohlenstoff-Verbindungen. Wissenschaftler müssen die Reaktionen jedoch überarbeiten, um stattdessen eine andere Anordnung zu erzeugen, bei der nur Wasserstoff einen saftigen Kohlenstoffkern umgibt – CH4, auch bekannt als Methan.

Dieses Re-Engineering ist viel kniffliger, als es sich anhört; Menschen tüfteln seit Jahrzehnten daran, um der Leistungsfähigkeit der Natur näher zu kommen.

Lin und sein Laborteam dachten, dass sie versuchen könnten, etwas hinzuzufügen, was künstliche Photosynthesesysteme bisher nicht enthalten haben: Aminosäuren.

Das Team begann mit einem Materialtyp, der als metallorganisches Gerüst oder MOF bezeichnet wird, einer Klasse von Verbindungen, die aus Metallionen bestehen, die durch organische Verbindungsmoleküle zusammengehalten werden. Dann entwarfen sie die MOFs als Einzelschicht, um die maximale Oberfläche für chemische Reaktionen bereitzustellen, und tauchten alles in eine Lösung, die eine Kobaltverbindung enthielt, um Elektronen herumzubefördern. Schließlich fügten sie den MOFs Aminosäuren hinzu und experimentierten, um herauszufinden, welche am besten funktionierten.

Sie konnten beide Hälften der Reaktion verbessern: den Prozess, der Wasser zerlegt, und den, der Elektronen und Protonen zu Kohlendioxid hinzufügt. In beiden Fällen trugen die Aminosäuren dazu bei, dass die Reaktion effizienter ablief.

Doch selbst mit der deutlich verbesserten Leistungsfähigkeit hat die künstliche Photosynthese noch einen langen Weg vor sich, bis sie genügend Treibstoff produziert, um für einen breiten Einsatz relevant zu werden. „Wo wir jetzt sind, müsste es um viele Größenordnungen vergrößert werden, um eine ausreichende Menge Methan für unseren Verbrauch herzustellen“, sagte Lin.

Der Durchbruch könnte auch auf andere chemische Reaktionen angewendet werden; Sie müssen viel Treibstoff herstellen, damit es wirkt, aber viel kleinere Mengen einiger Moleküle, wie unter anderem die Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Arzneimitteln und Nylons, könnten sehr nützlich sein.

„So viele dieser grundlegenden Prozesse sind gleich“, sagte Lin. „Wenn Sie gute Chemien entwickeln, können sie in viele Systeme eingesteckt werden.“