Wie funktioniert Künstliche Photosynthese

Künstliche Photosynthese machbar?

Neuer Katalysator macht Kohlendioxid chemischen Synthesen zugänglich. Eine neue Katalysatorklasse macht es möglich, Kohlendioxid für chemische Synthesen aufzuspalten.

Pflanzen wandeln Kohlendioxid aus der Luft in Biomasse um. Photosynthese nennen Biologen und Chemiker diesen Prozess, bei dem das Sonnenlicht die nötige Energie liefert. Es ist ein alter Traum der Chemiker, das Kohlendioxid der Luft als Rohstoffquelle für Synthesen zu nutzen. Aber da gibt es doch größere Schwierigkeiten, denn die Bindungen des Kohlendioxidmoleküls sind sehr stabil.

Neue Ideen aus Potsdam

Ein Team unter der Leitung von Markus Antonietti am Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Aufspaltung von Kohlendioxid gelungen. Sie haben eine spezielle Katalysatorklasse entwickelt. Dieser neue metallfreie Katalysator ist ein graphitisches Kohlenstoffnitrid. Mit ihm ist es möglich, Kohlendioxidmoleküle so zu aktivieren, dass sie für chemische Reaktionen zugänglich sind.

„Die chemische Aktivierung von Kohlendioxid, d.h. dessen Spaltung in einer chemischen Reaktion ist eine der größten Herausforderungen der Synthesechemie.“ So die Meinung der Forscher Goettmann, Thomas und Antonietti in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“. Die Bindungen im Kohlendioxidmolekül sind sehr stabil und nur mit hohem Energieeinsatz ist die Spaltung möglich. Bisher sind nur sehr spezielle Metalllkatalysatoren bekannt, mit denen die Auflösung der Bindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff gelingt.

Vorbild Pflanze

Abweichend von den bisherigen Ansätzen setzt das Potsdamer Team auf metallfreie Katalysatoren. Dabei orientiert es sich an dem Prozess der Photosynthese in den Pflanzen. Diese verläuft über eine Zwischenstufe, bei der das Kohlendioxid an Stickstoffatome gebunden wird und Carbamate entstehen. Daher arbeiten die Wissenschaftler mit stickstoffreichen Katalysatoren, die den Aufbau von Carbamaten möglich machen.

Die neuen Katalysatoren sind aus flachen und graphitartigen Schichten aufgebaut. Die einzelnen Schichten bestehen aus Ringsystemen von Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Dieses Material wird graphitisches Kohlenstoffnitrid genant. Es ist seht temperaturstabil und chemisch sehr aktiv. Gleichzeitig ist es aber auch so stabil, dass es sich nach der Reaktion mit dem Kohlendioxid fast immer wieder zurückbildet. Es bringt also mit, was von einem Katalysator erwartet wird.

Mit diesem Katalysator kann Kohlendioxid aktiviert werden. Mit diesem Katalysator gelang die Oxidation von Benzol zu Phenol unter Freisetzung von Kohlenmonoxid, das dann direkt in chemischen Synthesen eingesetzt werden kann.

Die Fachleute aus Potsdam beschreiben den Prozess noch mal so. Kohlendioxid wird in ein Sauerstoff-Diradikal und Kohlenmonoxid gespalten. Diese Reaktion scheint über den Zwischenschritt der Carbamate abzulaufen. Dabei wird zunächst Kohlendioxid an freie Aminogruppen des Kohlenstoffnitrids gebunden und oxidiert dann Benzol zu Phenol. Schließlich spaltet sich das verbliebene Kohlenmonoxid vom Katalysator ab.

Eine neuartige Chemie auf der Rohstoffbasis Kohlendioxid könnte entstehen. Und vielleicht ist sogar der erste Schritt in Richtung einer künstlichen Photosynthese gelungen. So die Hoffnung des Forscherteams um Markus Antonietti, dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam.

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