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Startschuss für Sonderforschungsbereich Auf dem Weg zu künstlichen Chloroplasten

Autor / Redakteur: Axel Burchardt* / Christian Lüttmann

Sonnenlicht in Energie umwandeln – was die Pflanzen wie selbstverständlich vormachen, wollen Forscher schon lange kopieren und verbessern. Ein gemeinsames Projekt der Universitäten Jena und Ulm soll nun neue Materialien hervorbringen, mit denen die photokatalytische Wasserspaltung nach Pflanzenvorbild gelingt.

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Emission von Rylene-Farbstoffen, die im Rahmen von CataLight als Lichtsammeleinheiten eingesetzt werden, um eine effiziente Photokatalyse zur Wasserspaltung zu aktivieren.
Emission von Rylene-Farbstoffen, die im Rahmen von CataLight als Lichtsammeleinheiten eingesetzt werden, um eine effiziente Photokatalyse zur Wasserspaltung zu aktivieren.
(Bild: Martin Schulz/FSU)

Jena, Ulm – Mit ihrer nahezu unerschöpflichen Energie steuert die Sonne zahlreiche chemische Prozesse, die auch für künstliche Energiegewinnung und -technologien von großer Bedeutung sind. Dennoch nutzen wir das Potenzial des Sonnenlichts nur in begrenztem Maße, da es schwierig ist, die Lichtenergie in speicherfähige Energieformen, zum Beispiel chemische Energie, umzuwandeln.

Ein Weg, die Sonnenenergie zu speichern, ist die natürliche Photosynthese der Pflanzen. Sie nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und CO2 Zuckermoleküle herzustellen. Nach diesem Vorbild sollen im neuen Sonderforschungsbereich (SFB) “CataLight” molekulare Katalysatorsysteme entwickelt werden. Nicht um Zucker herzustellen, sondern zur lichtgesteuerten Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Denn auf diesem Weg hergestellter Wasserstoff könnte eine nachhaltige und umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen sein.

Auf neuen Wegen der Natur nach

Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen den Forschern zufolge das konstruktive Wechselspiel zwischen molekularen Photokatalysatoren und ihrer polymer-basierten Umgebung. Einerseits erlauben diese eine hohe Kontrolle über die Reaktivität, aber andererseits sind sie, verglichen mit z.B. photokalytisch aktiven Metalloxiden, relativ instabil.

„Im neuen Forschungsverbund wollen wir einen vollkommen neuen Weg gehen, solche molekularen Photokatalysatoren zu stabilisieren und Reparaturverfahren zugängig zu machen“, sagt der SFB-Sprecher Prof. Dr. Sven Rau von der Universität Ulm. Sein Kollege und Stellvertreter Prof. Dr. Benjamin Dietzek von der Universität Jena ergänzt: „Wir schauen, wie es die Natur macht und integrieren die molekularen Komponenten in weiche Materie, um so neue Konzepte für die photokatalytische Wasserspaltung zu etablieren.“

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Der Sonderforschungsbereich 234 „CataLight“

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat am 18. Mai 2018 bekanntgegeben, dass sie den gemeinsamen Sonderforschungsbereich/Transregio (SFB/TRR) 234 „CataLight“ in den nächsten vier Jahren fördert. Beantragt hatten die Partner rund zehn Millionen Euro. Zu den Partnern gehören auch die Universität Wien, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena.

Mit den Mitteln will der ortsübergreifende Forschungsverbund die grundlegende Funktionsweise bis hin zu ersten Anwendungen innovativer photokatalytisch aktiver Materialien erforschen. Den Forschenden aus Chemie, Materialwissenschaft und Physik geht es darum, Licht zur Herstellung energiereicher Chemikalien zu nutzen und gezielt neue Materialien für eine nachhaltige Energiewandlung gestalten zu können.

Bei der natürlichen Photokatalyse werden molekulare Systeme in eine weiche Phospholipidschicht eingebettet. „Die Natur stabilisiert das System dadurch und ermöglicht den Austausch einzelner Komponenten“, erläutert Dietzek das Prinzip. Darüber hinaus habe die Natur Zusatzfunktionen, z.B. einen Antenneneffekt, entwickelt, die auch durch entsprechende synthetische Ansätze im Forschungsverbund integriert werden sollen.

Künstliche Chloroplasten als Fernziel

„Es ist das Ziel des neuen Sonderforschungsbereichs, die Energie des Sonnenlichts für die Wasserspaltung mit molekularen Maschinen nutzbar zu machen“, sagt Rau. „CataLight soll ein mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen von lichtgetriebenen molekularen Katalysatoren mit strukturierten weichen Materialien liefern.“ Dafür sei zunächst viel Grundlagenforschung zum chemischen Prozess notwendig.

Am Ende der ersten Förderphase sollen neue Erkenntnisse über diesen Prozess vorliegen und verschiedene Materialien evaluiert worden sein. Bis zum Fernziel künstlicher Chloroplasten mit exakt definiertem Design werde es aber noch Jahre weiterer intensiver Forschung bedürfen.

* A. Burchardt, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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