Solarbetriebenes Verfahren weist den Weg zu einer "entfossilisierten" chemischen Industrie
"Künstliches Blatt" mit organischen Halbleitern und bakteriellen Enzymen zur nachhaltigen Umwandlung von CO₂ - ohne toxische Komponenten
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Forscher haben einen neuen und nachhaltigen Weg zur Herstellung von Chemikalien aufgezeigt, die die Grundlage für Tausende von Produkten - von Kunststoffen bis hin zu Kosmetika - sind, die wir täglich verwenden.
Semi-künstliche organische Photokathode in Betrieb
Celine Yeung
Semi-künstliche organische Photokathode
Celine Yeung
Hunderttausende von Chemikalien werden von der chemischen Industrie hergestellt, die Rohstoffe - in der Regel fossile Brennstoffe - in nützliche Endprodukte umwandelt. Aufgrund ihrer Größe und des Einsatzes fossiler Brennstoffe ist die chemische Industrie für etwa 6 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich.
Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge entwickeln jedoch neue Methoden, die eines Tages zur "Entfossilisierung" dieses wichtigen Sektors führen könnten.
Sie haben ein Hybridgerät entwickelt, das lichtsammelnde organische Polymere mit bakteriellen Enzymen kombiniert, um Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in Formiat umzuwandeln, einen Brennstoff, der weitere chemische Umwandlungen in Gang setzen kann.
Ihr "halbkünstliches Blatt" ahmt die Photosynthese nach: den Prozess, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in Energie umwandeln, und benötigt keine externe Energiequelle. Im Gegensatz zu früheren Prototypen, die oft auf giftige oder instabile Lichtabsorber angewiesen waren, kommt das neue Biohybrid-Design ohne giftige Halbleiter aus, hält länger und kommt ohne zusätzliche Chemikalien aus, die bisher die Effizienz behinderten.
In Tests nutzten die Forscher Sonnenlicht, um Kohlendioxid in Formiat umzuwandeln, und setzten es dann direkt in einer chemischen "Domino"-Reaktion ein, um eine wichtige Verbindung, die in Arzneimitteln verwendet wird, mit hoher Ausbeute und Reinheit herzustellen.
Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Joule veröffentlicht wurden, markieren das erste Mal, dass organische Halbleiter als Lichtsammelkomponente in dieser Art von biohybrider Vorrichtung verwendet wurden, was die Tür zu einer neuen Familie von nachhaltigen künstlichen Blättern öffnet.
Die chemische Industrie ist von zentraler Bedeutung für die Weltwirtschaft und stellt Produkte wie Arzneimittel und Düngemittel, Kunststoffe, Farben, Elektronik, Reinigungsmittel und Toilettenartikel her.
"Wenn wir eine kreislauforientierte, nachhaltige Wirtschaft aufbauen wollen, ist die chemische Industrie ein großes, komplexes Problem, das wir angehen müssen", sagte Professor Erwin Reisner vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, der die Forschung leitete. "Wir müssen Wege finden, um diesen wichtigen Sektor, der so viele wichtige Produkte herstellt, die wir alle brauchen, zu de-fossilisieren. Das ist eine riesige Chance, wenn wir es richtig anstellen können.
Reisners Forschungsgruppe ist auf die Entwicklung künstlicher Blätter spezialisiert, die Sonnenlicht in kohlenstoffbasierte Brennstoffe und Chemikalien umwandeln, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein. Viele ihrer früheren Entwürfe hängen jedoch von synthetischen Katalysatoren oder anorganischen Halbleitern ab, die sich entweder schnell abbauen, einen Großteil des Sonnenspektrums verschwenden oder giftige Elemente wie Blei enthalten.
"Wenn wir die giftigen Komponenten entfernen und organische Elemente verwenden können, erhalten wir eine saubere chemische Reaktion und ein einziges Endprodukt ohne unerwünschte Nebenreaktionen", sagte die Ko-Erstautorin Dr. Celine Yeung, die die Forschung im Rahmen ihrer Doktorarbeit in Reisners Labor durchführte. "Dieses Gerät kombiniert das Beste aus beiden Welten - organische Halbleiter sind abstimmbar und ungiftig, während Biokatalysatoren hochselektiv und effizient sind.
Das neue Gerät integriert organische Halbleiter mit Enzymen aus sulfatreduzierenden Bakterien, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten oder Kohlendioxid in Formiat umwandeln.
Die Forscher haben auch eine seit langem bestehende Herausforderung in Angriff genommen: Die meisten Systeme benötigen chemische Zusätze, so genannte Puffer, um die Enzyme am Laufen zu halten. Diese können sich schnell zersetzen und die Stabilität einschränken. Durch die Einbettung eines Hilfsenzyms, der Kohlensäureanhydrase, in eine poröse Titandioxidstruktur konnten die Forscher das System in einer einfachen Bikarbonatlösung - ähnlich wie Sprudelwasser - ohne unhaltbare Zusätze betreiben.
"Es ist wie ein großes Puzzle", sagt der Ko-Erstautor Dr. Yongpeng Liu, ein Postdoktorand in Reisners Labor. "Wir haben all diese verschiedenen Komponenten, die wir zu einem einzigen Zweck zusammenbringen wollten. Wir haben lange gebraucht, um herauszufinden, wie dieses spezifische Enzym an einer Elektrode immobilisiert wird, aber jetzt sehen wir die ersten Früchte dieser Bemühungen."
"Indem wir wirklich studiert haben, wie das Enzym funktioniert, konnten wir die Materialien, aus denen die verschiedenen Schichten unseres sandwichartigen Geräts bestehen, genau entwerfen", so Yeung. "Durch dieses Design arbeiten die Teile effektiver zusammen, von der winzigen Nanoskala bis hin zum vollständigen künstlichen Blatt."
Tests zeigten, dass das künstliche Blatt hohe Ströme erzeugte und eine nahezu perfekte Effizienz bei der Weiterleitung von Elektronen in Reaktionen zur Kraftstoffherstellung erreichte. Das Gerät lief erfolgreich über 24 Stunden lang: mehr als doppelt so lange wie frühere Konstruktionen.
Die Forscher hoffen, ihr Design weiterzuentwickeln, um die Lebensdauer des Geräts zu verlängern und es so anzupassen, dass es verschiedene Arten von chemischen Produkten herstellen kann.
"Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, solarbetriebene Geräte zu entwickeln, die nicht nur effizient und langlebig, sondern auch frei von giftigen oder nicht nachhaltigen Komponenten sind", so Reisner. "Dies könnte eine grundlegende Plattform für die künftige Herstellung umweltfreundlicher Kraftstoffe und Chemikalien sein - es ist eine echte Chance, spannende und wichtige Chemie zu betreiben.
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