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Es gibt wachsende Bestrebungen, ein hochtechnologisches Energieerzeugungssystem zu etablieren, das im Wesentlichen von der Natur selbst inspiriert ist: die künstliche Photosynthese.

Dr. Raj Shah, Frau Eliana Matsil, Frau Gabrielle Massoud | Koehler Instrument Company

Die Dringlichkeit, einen sauberen Ersatz für unsere Energieversorgung mit fossilen Brennstoffen zu finden, nimmt exponentiell zu. Die Erforschung der künstlichen Photosynthese als erneuerbare Energiequelle wird seit Jahrzehnten betrieben. Bei diesem Ansatz werden biomimetische Techniken verwendet, um den Prozess der natürlichen Photosynthese nachzubilden, bei der reichlich vorhandene Ressourcen an Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid genutzt werden, um Sauerstoff und energiereiche Kohlenhydrate zu produzieren. Durch die Nachbildung dieses Vorgangs sind Forscher in der Lage, Systeme zu entwerfen, die diese natürlichen Ressourcen nutzen, um Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln und sie in den Bindungen eines Brennstoffs zu speichern. Zu den Kraftstoffen, die durch künstliche Photosynthese hergestellt werden können, gehören Kohlenwasserstoffe wie Ameisensäure (HCOOH), Methanol (CH3OH), Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) oder reiner Wasserstoffkraftstoff. Zu den chemischen Prozessen der künstlichen Photosynthese gehören die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff oder die Reduktion von Kohlendioxid in verschiedene Kohlenwasserstoffe. Diese Prozesse werden durch eine Handvoll Gerätedesigns erreicht, darunter photoelektrochemische Zellen oder photovoltaisch gekoppelte Elektrolyseure. Jede Funktion wird durch Energie angetrieben, die aus Sonnenlichtphotonen gewonnen wird, sowie durch geeignete Katalysatoren. Es gibt auch eine gängige Methode, vorteilhafte Komponenten sowohl der natürlichen Photosynthese als auch der künstlichen Photosynthese zu kombinieren, um ein halbkünstliches Photosynthesesystem zu schaffen, wobei Enzyme oder sogar Ganzzellanwendungen in synthetische Geräte eingebaut werden. Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen für die Weiterentwicklung dieses Bereichs, die sich darauf konzentrieren, dass es nicht möglich ist, ein System zu etablieren, das die wichtigen Merkmale Kosteneffizienz, langfristige Haltbarkeit und hervorragende Effizienz aufweist. Dennoch geht die Suche nach geeigneten Materialien weiter, da die Forscher bestrebt sind, ein funktionsfähiges Gerät zu entwickeln, das für die industrielle Anwendung bereit ist. Der groß angelegte Einsatz künstlicher Photosynthese kann der Gesellschaft möglicherweise erneuerbare und speicherbare Energie in Form wertvoller Kraftstoffe liefern. Die erzeugten Kohlenwasserstoffe können als Ersatz für fossile Brennstoffe dienen, und reiner Wasserstoff kann ebenfalls als Brennstoff verwendet oder in eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung geleitet werden. Künstliche Photosynthesegeräte können auch als Luftreiniger fungieren, indem sie der Umwelt überschüssiges Kohlendioxid entziehen und Sauerstoff wieder an sie abgeben. Auch wenn noch ein langer Weg vor uns liegt, ist eine Gesellschaft, die sich auf Energie aus künstlicher Photosynthese stützt, wünschenswert, und die bisherigen Bemühungen sind vielversprechend.

Mit dem Fortschritt der Gesellschaft wird die Notwendigkeit, eine erneuerbare Energiequelle zu entwickeln, die eine Alternative zu unseren schädlichen Standards darstellt, immer größer. Die Nutzung konventioneller fossiler Brennstoffe führt weiterhin zur Erschöpfung natürlicher Ressourcen und zum Ausstoß von Treibhausgasen, die die Sicherheit unserer Umwelt beeinträchtigen. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler zahlreiche Ersatzstoffe erforscht, die dazu beitragen könnten, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, die etwa 80 % der weltweiten Energieversorgung ausmachen [1]. Daher gibt es zunehmend Bestrebungen, ein hochtechnologisches Energieerzeugungssystem zu etablieren, das im Wesentlichen von der Natur selbst inspiriert ist. Dieses Konzept wird künstliche Photosynthese genannt; Es soll die biologischen Reaktionen nachahmen, die in natürlichen Pflanzen, Algen und einigen Bakterien ablaufen, um im Wesentlichen ihre eigene Energie zu produzieren, die sie in chemischen Bindungen speichern [2].

Die Sonne liefert alle dreißig Minuten genügend Energie auf die Erdoberfläche, um den Energiebedarf der Menschheit ein ganzes Jahr lang zu decken [3]. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die ungleichmäßig auf der Welt verteilt sind und oft zu politischen Spannungen oder Verfügbarkeitsproblemen führen [1], ist Sonnenlicht enorm verfügbar und geografisch verstreut [4]. Viele argumentieren, dass die einzige Quelle, die stark genug ist, um die Gesellschaft langfristig mit Strom zu versorgen, Solarenergie ist [5]. Mit anderen Worten: Die Sonne ist unsere einzige Hoffnung.

Die natürliche Photosynthese ist allein für die gesamte Energie verantwortlich, die auf der Welt verbrannt wird. Die gesamte zwischen den biologischen Gemeinschaften zirkulierende Energie stammt aus der Photosynthese, die in den Organismen am unteren Ende der Nahrungskette stattfindet. Dennoch ist die Photosynthese auch für die in fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdöl gespeicherte Energie verantwortlich. Vor diesem Hintergrund ist es theoretisch sinnvoll, aus einer biomimetischen Herangehensweise an diesen natürlichen Prozess direkt nutzbare Energie zu gewinnen.

Das Konzept der künstlichen Photosynthese ähnelt dem der Sonnenkollektoren, die Sie auf Dächern oder auf Feldern sehen können. Die in Solarmodulen enthaltenen Photovoltaikzellen sind jedoch darauf ausgelegt, Sonnenenergie zu nutzen und sie zur direkten Anwendung in Strom umzuwandeln. Dies kann zwar nützlich sein, die von Solarmodulen erzeugte Elektrizität ist jedoch durch ihre Wetter- und Zeitabhängigkeit begrenzt [2], was wiederum durch die Tatsache eingeschränkt wird, dass sie zu diesem Zeitpunkt nicht angemessen durch Batterien gespeichert werden kann [6]. Obwohl künstliche Photosynthesegeräte ebenfalls auf Sonneneinstrahlung angewiesen sind, können die Halbleiter Sonnenenergie absorbieren und sie in den chemischen Bindungen eines Kraftstoffs für die spätere Verwendung speichern [2, 7]. Auf diese Weise wird Energie dicht und kostengünstig in Form eines Kraftstoffs gespeichert, im Gegensatz zur teuren und nicht nachhaltigen Option der Batteriespeicherung [4]. Diese Idee wird in Abbildung 1 hervorgehoben, die den Unterschied in der Speicherfähigkeit zwischen Batterien und Kraftstoffen veranschaulicht.

Abbildung 1. Volumetrische und gravimetrische Energiedichte verschiedener Energiespeichersysteme. [4]

Abgesehen vom Aspekt der Speicherbarkeit ist die künstliche Photosynthese auch ökologisch attraktiver als Solarpaneele, da sie möglicherweise dazu beitragen könnte, überschüssiges CO2 aus der Atmosphäre zu absorbieren und hilfreichen Sauerstoff wieder an die Umwelt abzugeben [7]. Daher hat dieses System die Aussicht, in der Welt der Solarenergie revolutionär zu sein.

Im Juli 2020 kündigte das US-Energieministerium (DOE) einen 5-Jahres-Finanzierungsplan von 100 Millionen US-Dollar für die Forschung zur künstlichen Photosynthese an. Die Organisation hofft, Amerika an die Spitze dieses Bereichs zu bringen, der bekanntermaßen eine große Herausforderung, aber auch vielversprechend ist. Im Mittelpunkt der Forschung steht die Etablierung kostengünstiger, industrietauglicher Techniken zur Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie mit maximaler Effizienz [8]. Dadurch haben Wissenschaftler die Möglichkeit, ein erneuerbares System zu demonstrieren, aus dem sie lebenswichtige Produkte wie flüssige Kraftstoffe gewinnen können [2]. Die 100-Millionen-Dollar-Investition stellt das Engagement des Landes für die Erforschung der künstlichen Photosynthese dar, denn diese Technologie hat das Potenzial, bahnbrechend bei der Linderung der aktuellen Energieproblematik der Welt zu sein.

Um es aufzuschlüsseln: Die natürliche Photosynthese findet in zwei allgemeinen Teilen statt, dem Photosystem II und dem Photosystem I. Das Photosystem II ist für die Absorption von Licht und seine Umwandlung in chemische Energie verantwortlich [11]. Während CO2 durch die Stomata absorbiert wird, bei denen es sich um Öffnungen in den Blättern handelt [9], absorbiert und sammelt eine Ansammlung von Pigmentmolekülen wie Chlorophyll, das sogenannte Antennensystem, das Sonnenlicht und überträgt die Lichtenergie an das sogenannte Reaktionszentrum während des Licht- abhängige Reaktion, die im Thylakoid des Chloroplasten stattfindet [10]. Hier regt Energie aus Licht die Chlorophyllmoleküle an, wodurch sie ein Elektron freisetzen, das durch eine Elektronentransportkette wandert, wo ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (Nikotinamidadenindinukleotidphosphat) erzeugt werden [12]. Ein Elektron aus Wasser füllt das „Elektronenloch“ im Chlorophyllpigment und setzt dabei Sauerstoff frei, der oft als das wertvollste Nebenprodukt der Welt bezeichnet wird. Angetrieben wird das System dabei von einer komplexen Reihe von Enzymen wie den Photosystemen selbst sowie von Hydrogenasen, die mit Wasserstoff interagieren, der aus Wassermolekülen stammt [13].

Das Elektron gelangt zum Photosystem I, wo die lichtunabhängige Reaktion stattfindet, die auch als Dunkelreaktion oder Calvin-Zyklus bezeichnet wird. Dies geschieht im Stroma des Blattes. Während des Calvin-Zyklus werden Wasser und Katalysatoren verwendet, um Reaktionen voranzutreiben, die die aus der ersten Reaktion gewonnene chemische Energie nutzen, um Kohlenstoffatome von CO2 in organische Moleküle umzuwandeln [10]. Durch die Reduktion von CO2 zu Kohlenhydraten entsteht letztendlich Glukose, wie in dieser chemischen Formel zu sehen ist:

6H2O + 6CO2 + (Sonnenlicht) → C6H12O6 + 6O2 [9]

Daher wurde die natürliche Photosynthese von der Evolution auf geniale Weise entwickelt, um Organismen eine komplexe Möglichkeit zur Herstellung ihrer eigenen Nahrung zu bieten, indem sie Sonnenenergie in chemische Energie umwandelt, die in den Bindungen eines Kohlenhydrats gespeichert ist. Der gesamte Prozess ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

Abbildung 2. Schematische Darstellung des sauerstoffhaltigen Photosyntheseprozesses. [11]

Das Konzept der künstlichen Photosynthese besteht darin, diesen grundlegenden Prozess, der in natürlichen Organismen abläuft, nachzuahmen und ihn so zu manipulieren, dass er unseren gesellschaftlichen Bedürfnissen entspricht. Der Begriff kann sich auf jedes System beziehen, das Sonnenenergie einfängt und in den chemischen Bindungen eines Kraftstoffs speichert. Anstatt Glukose zu produzieren, entstehen somit wertvolle Brennstoffe wie Wasserstoff oder Methanol [14]. Das allgemeine Ziel dieser Bemühungen besteht darin, einen Weg zu finden, Energie erneuerbar, zuverlässig und speicherbar zu machen, ohne die Umwelt negativ zu beeinflussen. Obwohl das Konzept im industriellen Sinne nicht umgesetzt wurde, gab es im Labormaßstab viele bemerkenswerte Erfolge [15].

Durch künstliche Photosynthese können zwei Arten von Kraftstoffen erzeugt werden: Kohlenwasserstoffe wie Methanol und Ameisensäure oder einfach reiner Wasserstoff. Wasserstoff entwickelt sich zu einer sauberen Kraftstoffoption, die entweder in einer Brennstoffzelle verbraucht oder direkt als flüssiger Kraftstoff selbst verwendet werden kann [2]. Es kann für den Transport (z. B. in bestimmten Autos), zur Stromversorgung von Häusern oder für andere Anwendungen als Ersatz für fossile Brennstoffe genutzt werden. In eine Brennstoffzelle geleitet, kann daraus auch Strom erzeugt werden. Diese Art von Kraftstoff wird mit verschiedenen Methoden hergestellt, darunter auch die künstliche Photosynthese. Andere Techniken umfassen thermische Prozesse, Elektrolyse, biologische Prozesse oder andere solarbetriebene Systeme [16].

Ein künstliches Photosynthesegerät besteht aus drei Hauptkomponenten, die entwickelt werden müssen: Lichteinfang und Elektronentransport, Wasserspaltung (in Wasserstoff und Sauerstoff) und die Reduktion von Kohlendioxid [6]. Forscher haben eine Handvoll Systeme etabliert, die diese wichtigen Prozesse ausführen können [2]. Die Komponenten dieser Systeme sind synthetisch so konzipiert, dass sie als entsprechende Elemente in den Reaktionszentren der natürlichen Photosynthese fungieren, beispielsweise Pigmentmoleküle und Elektronentransportketten.

Beim Versuch, die Funktionalität von Autotrophen auf praktische Weise zu reproduzieren, stießen Forscher auf mehrere Einschränkungen. Obwohl die natürliche Photosynthese beispielsweise eine nahezu perfekte Quanteneffizienz (effiziente Ladungstrennung) aufweist [17], weist sie in den meisten Fällen keine hohe Gesamteffizienz der chemischen Umwandlung auf. Tatsächlich können die meisten natürlichen Pflanzen nur einen Solar-zu-Biomasse-Wirkungsgrad von etwa 1 % erreichen [17, 19, 20], da sie sich so entwickelt haben, dass sie nur in der Lage sind, ausreichend Energie umzuwandeln, um ihr eigenes Überleben zu sichern [17]. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie eines industriell realisierbaren künstlichen Photosynthesesystems einen Wirkungsgrad von 10 % oder mehr aufweisen sollte [12, 21]. Dies stellte eine Herausforderung für diesen Bereich dar, da alle hergestellten Geräte, die erfolgreich eine hohe Umwandlungseffizienz erreichten, aus seltenen und teuren Materialien hergestellt wurden, was die Durchführbarkeit einer Skalierung dieser Systeme unmöglich macht [2].

Darüber hinaus hängt dies mit der laufenden Suche nach Materialien zusammen, die als geeignete Katalysatoren für die Hochreaktionen der künstlichen Photosynthese fungieren können. Da bei der künstlichen Photosynthese chemische Bindungen aufgebrochen und gebildet werden, sind Katalysatoren erforderlich, um diese Reaktion voranzutreiben. Einer der größten Engpässe in diesem Forschungsbereich ist jedoch die Entwicklung eines kostengünstigen, effizienten und stabilen Katalysatormaterials. Ein wesentliches Problem bei den untersuchten Katalysatoren, beispielsweise auf organischer Basis, ist ihre Tendenz, bei mehreren Verwendungszwecken instabil zu sein [2, 22]. Viele Varianten haben die Angewohnheit, die Systemausrüstung zu korrodieren oder zu beschädigen, während einige nach mehreren Zyklen ihre Energie verlieren. Während Pflanzen intrinsisch Selbstreparaturmechanismen durchführen, weisen künstliche Systeme diese Eigenschaft meist nicht auf [19]. Alternative Metalloxid-Katalysatoren sind vielversprechend, aber denen mit ausreichender Geschwindigkeit mangelt es an Verfügbarkeit und finanzieller Rentabilität [2]. Mittlerweile wurde festgelegt, dass ein anwendbares Gerät eine Stabilität von mindestens 10 Jahren aufweisen sollte [20]. Daher ist die Suche nach einem geeigneten Katalysator, der jede dieser geeigneten Funktionen aufweist, im Gange.

Eine weitere bemerkenswerte Herausforderung im Bereich der Nachahmung eines natürlichen Prozesses ist die komplexe Molekülgeometrie photosynthetisierender Organismen. Den Forschern fällt es sehr schwer, die damit verbundene Komplexität nachzubilden [2]. Mit Hilfe supramolekularer Strategien und Nanotechnologie sind Wissenschaftler jedoch in der Lage, die Funktionsweise ihrer Geräte durch die strukturelle und molekulare Zusammensetzung leicht zu manipulieren. Obwohl es schwierig ist, die in der natürlichen Photosynthese vorhandenen Details zu erreichen, ermöglichen diese Techniken den Fortschritt in Richtung eines lebensfähigen Systems [31].

Der erste Vorschlag zur künstlichen Photosynthese wurde 1912 von einem italienischen Chemiker, Giacomo Ciamician, vorgelegt, der die Unhaltbarkeit fossiler Brennstoffe anerkannte. Er brachte die Idee hervor, stattdessen die Art und Weise der Natur zur Energieerzeugung und -speicherung nachzubilden [7]. Bis 1972, als Kenichi Honda und sein Schüler Akira Fujishima über das erste erfolgreiche, durch Licht betriebene Wasserspaltungsgerät berichteten [20], das den Namen „Honda-Fujishima-Effekt“ erhielt, wurden jedoch keine bahnbrechenden Forschungsergebnisse zu diesem Vorhaben bekannt gegeben. Das Gerät umfasste eine photoelektrochemische Zelle, die aus einer TiO2-Photoanode und einer schwarzen Platinkathode (Pt) bestand und vollständig in Wasser getaucht war [21, 22]. Wenn das System Licht ausgesetzt wurde, regte die Energie das TiO2 an und setzte ein Elektron frei. Das auf dem Ti-Atom verbleibende „Elektronenloch“ oder die positive Ladung würde durch ein Elektron aus einem Wassermolekül gefüllt und das Wasser oxidiert, um Sauerstoff zu erzeugen. Das freigesetzte Elektron würde dann an ein aus Wasser stammendes Proton abgegeben und so das Proton zu Wasserstoff reduziert [23]. Durch die Bestrahlung der Photoanode mit Licht bei Wellenlängen über 400 nm konnte das Gerät Sauerstoff an der Photoanode und Wasserstoff an der Photokathode erzeugen und so die Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff bewerkstelligen [21], wie in Abbildung 3 dargestellt. Das Molekül TiO2 ist nur in der Lage, ultraviolette Wellenlängen zu absorbieren, sodass auf diese Weise keine großen Energiemengen gewonnen werden konnten [23].

Abbildung 3. Darstellung der Wasserspaltung über eine photoelektrochemische Zelle beim „Honda-Fujishima-Effekt“ [24]

Später, im Jahr 1983, patentierte William Ayers von Energy Conversion Devices das erste Gerät zur Wasserspaltung mit sichtbarem Licht. Der als „künstliches Blatt“ bezeichnete Apparat bestand aus einer Dünnschicht-Mehrfachzelle aus Silizium mit einer Nafion-Membran für den Ionentransport über der Zelle, die vollständig in Wasser getaucht war [25]. Bei Beleuchtung bildete sich auf dem hinteren Metallsubstrat Sauerstoff, während sich auf der Siliziumoberfläche Wasserstoff entwickelte, wodurch eine Photolyse von Wasser in seine Bestandteile durchgeführt wurde [14].

Die durch Sonnenenergie angetriebene Reduktion von CO2 zu Kohlenwasserstoffen wurde erstmals 1978 von M. Halmann erreicht [26]. Diese Studie verwendete einen p-Typ-Phosphidhalbleiter aus Galliumphosphid als Photokathode. Das Gerät wurde in einer wässrigen Lösung suspendiert. Bei Lichteinwirkung produzierte das System erfolgreich Ameisensäure (HCOOH), Formaldehyd (CH2O) und Methanol (CH3OH) [22]. Seit diesen Meilensteinen haben Wissenschaftler viel Forschung in die Erforschung der Funktionsweise der künstlichen Photosynthese investiert.

Künstliche Photosynthese ist ein komplexes Ziel, das viele notwendige Überlegungen erfordert. Insgesamt müssen zwei Hauptfunktionen erfüllt werden: das Sammeln von Licht und das Aufspalten von Wasser. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kohlendioxidfixierung auf die weitere Produktion anderer Kraftstoffe neben reinem Wasserstoff auszuweiten [2]. Daher gibt es bei der künstlichen Photosynthese drei Hauptschritte, die der natürlichen Photosynthese ähneln: die Absorption von Licht, um einen angeregten Zustand zu erreichen, die Ladungserzeugung und -trennung sowie die chemische Umwandlung zur Kraftstoffproduktion [4].

Der erste Schritt zur künstlichen Photosynthese ist die Absorption von Lichtphotonen als Energiequelle zum Antrieb des Systems. Dieser Forschungsbereich konzentriert sich auf die Suche nach Photosensibilisatoren, die die Photonenbelichtung optimal nutzen und in der Lage sind, Lichtenergie zu bündeln. Eine der einschränkenden Eigenschaften der natürlichen Photosynthese ist die Tatsache, dass die meisten Pigmentmoleküle in photosynthetisierenden Organismen nur Licht mit Wellenlängen im Bereich von etwa 400–700 nm absorbieren können [6], was etwa 50 % des Sonnenlichts ausmacht, das die Erde erreicht [ 18], wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Eine Visualisierung des auf der Erde verfügbaren Sonnenlichtspektrums. Der grüne Bereich stellt die photosynthetisch aktive Strahlung dar, die nur etwa die Hälfte des Sonnenlichts ausmacht, das die Erde erreicht. [18]

Durch den Einsatz von Materialien, die ein breiteres genutztes Band im Sonnenspektrum nutzen können, entsteht somit die Möglichkeit, eine größere Menge an anwendbarer Energie schneller zu extrahieren.

Viele vom „Honda-Fujishima-Effekt“ inspirierte Systeme nutzen eine TiO2-Photoanode als Lichtabsorber und Katalysator. Das Problem dieses Materials besteht jedoch darin, dass es nur ultraviolettes Licht absorbieren kann und daher das breite Spektrum des verfügbaren Lichts nicht ausnutzt [23]. Darüber hinaus ist Silizium, wie bereits früher vorgestellt, ein beliebtes Material für Halbleiter. Silizium ist für diesen Zweck ein attraktives Material, da es ein breiteres Lichtspektrum bis zu 1100 nm absorbieren kann [18] und außerdem eine reichlich vorhandene und kostengünstige Quelle darstellt [12]. Andere Materialien, die für dieses Ziel untersucht wurden, umfassen andere Metalloxide wie ZnO, Fe2O3 und BiVO4, Metallnitride wie Ta3N5, Metallphosphide wie GaP, Metalloxinitride wie TaON usw. [12]. Im Jahr 2012 nutzte Panasonic einen Galliumnitrid-Halbleiter zur Herstellung von Ameisensäure und Ethanol mittels Dünnschichttechnologie [42].

Ein Interessengebiet in diesem Bereich der Lichtabsorption ist der Einsatz wissenschaftlicher Techniken zur Manipulation eines Systems und seiner Funktionen. In diesem Fall können mehrere kleine Maßnahmen ergriffen werden, um eine entsprechende Lichtabsorption herbeizuführen. Beispielsweise wird elementares Dotieren sehr häufig verwendet, um Halbleitern spezifische Verunreinigungen hinzuzufügen, um deren Eigenschaften zu verändern, beispielsweise Wellenlängenabsorptionsgrenzwerte. Darüber hinaus bieten Oberflächenfunktionalisierung und rationelle Nanostrukturierung die Möglichkeit, die Funktionsweise eines Materials zu beeinflussen. Das Optimieren der Struktur eines Materials ist bekanntermaßen ein wirkungsvolles Werkzeug zur Feinabstimmung seines Zwecks. Daher helfen diese Strategien genau dabei. Im Rahmen des Blue Sky-Projekts an der University of Michigan hat ein Galliumnitrid-Halbleiter mit mit Kupfer und Eisen beschichteten Silica-Nanodrähten erfolgreich Methan aus CO2 und Sonnenlicht hergestellt [43].

Bei der Wasserspaltung wird Wasser mittels einer chemischen Redoxreaktion in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Bei einer gängigen Methode enthält eine photoelektrochemische Zelle eine Membran zur Trennung. Bei Bestrahlung absorbieren Halbleiter-Nanodrähte Licht und es kommt zur Oxidation von Wasser, wodurch Sauerstoff sowie Elektronen und Protonen entstehen. Diese Elektronen wandern durch die Drähte zum Reduktionsende, während die Protonen dort durch eine protonenleitende Membran, üblicherweise aus Nafion, wandern, wo Protonen zu Wasserstoff reduziert werden. Somit wird die Photolyse von Wasser durch die Kombination zweier verschiedener Systeme erreicht, die auf ihren jeweiligen Zweck zugeschnitten sind [12].

Abbildung 5. Gegenüberstellung von a) natürlicher Photosynthese und b) einer Methode zur Wasserspaltung mittels künstlicher Photosynthese durch eine photoelektrochemische Zelle mit einer Trennmembran. [12]

Die bei der Wasserspaltung beteiligten Redoxgleichungen können wie folgt angesehen werden:

Oxidation: 2H2O → 4e- + 4H+ + O2

Reduktion: 4H+ + 4e- → 2H2

Kombinierte Reaktion: 2H2O → 2H2 + O2

[21]

Da die Wasserspaltung etwa 2,5 V Energie erfordert, ist ein Katalysator erforderlich, der mit den Sonnenlichtphotonen reagiert, um die Reaktion auszulösen [2]. Im Rahmen eines biomimetischen Ansatzes haben Forscher Mangan als katalytisches Element untersucht, da es im photosynthetischen Kern von Pflanzen vorkommt. Diese Anwendung führt jedoch häufig zu Instabilität innerhalb eines künstlichen Systems [14] aufgrund kurzfristiger und ineffizienter Funktion [2]. Darüber hinaus kommen, wie bereits erwähnt, häufig Metalloxide als Katalysatoren in Betracht. Beispielsweise hat sich ein erst kürzlich entdeckter Katalysator, Kobaltoxid (CoO), als stabile, effiziente und häufig vorkommende Option erwiesen [2]. Im Jahr 2019 wurde das künstliche Blatt patentiert, bei dem Kupferoxid zur Herstellung von Methanol und O2 aus CO2 und Sonnenlicht verwendet wird [41].

Eine bemerkenswerte Eigenschaft der Wasserspaltung ist, dass sie die Oxidation von Wasser zur Erzeugung von Sauerstoff sowie die Reduktion von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff umfasst. Viele Katalysatoren, die für eine Aufgabe am besten funktionieren, reichen aufgrund ihres notwendigen Reduktions- oder Oxidationspotentials für die andere nicht aus [27]. Daher werden auch Systeme betrachtet, die Materialien koppeln, die auf ihre jeweilige Tätigkeit zugeschnitten sind.

Molekulare Wasseroxidationskatalysatoren sind auf die Sauerstoffentwicklung spezialisiert. Im Allgemeinen basieren sie auf Übergangsmetallen mit ungesättigten ersten Koordinationssphären und fungieren als aktive Zentren für die Wassermoleküle, was die Akkumulation von Ladung zur Bildung eines hochvalenten Metall-Oxo-Zwischenprodukts ermöglicht [28]. Beispielsweise zeigen Katalysatoren auf Ruthenium- und Iridiumbasis aufgrund ihrer Reaktivität und Stabilität eine gute Leistung. [12, 19, 28]. Allerdings haben diese Elemente, wie viele andere auch, den Nachteil, dass sie knapp und teuer sind [12]. Daher konzentrieren sich Forscher weiterhin auf häufiger vorkommende Kandidaten aus der Familie der Übergangsmetalle, beispielsweise auf Kupferbasis, Nickelbasis und Eisenbasis [28]. Der Einsatz molekularer Techniken zur Feinabstimmung von Verbindungen, die reichlich vorhandene und redoxchemisch reiche Metalle wie Eisen enthalten, um die katalytische Funktion zu verbessern, bleibt ein wichtiges Ziel in diesem Bereich. Adam Hill an der St. Lawrence University entwickelt eine zweikernige Heterodimetall-Kombinationseinheit aus Kobalt und Zirkonium auf poröser Siliciumdioxidbasis, die Energie an einen gekoppelten CO2-Reduktionskatalysator leitet. Dies wird mit einer Nanoröhren-Trennmembran kombiniert. [40].

Molekulare Wasserreduktionskatalysatoren sorgen für die Produktion von Wasserstoff. Die Katalysatoren umfassen im Allgemeinen einen Metallkomplex mit weit offenen Koordinationsstellen und einer elektronischen Struktur zur Stabilisierung eines Metallhydrid-Zwischenprodukts. Zu den gängigen Materialien gehören Edelmetalle wie Komplexe auf Rhodium- und Platinbasis. Die Forschung konzentriert sich jedoch hauptsächlich auf die Entwicklung von Katalysatoren aus auf der Erde vorkommenden Metallen wie Kobalt, Eisen, Molybdän und Nickel. Von den aufgeführten Katalysatoren gelten Nickelkomplexe als die stabilsten und effizientesten Wasserstoff entwickelnden Katalysatoren. Dennoch wird die Optimierung von Materialfunktionen durch verschiedene chemische Techniken noch untersucht. [28]

Die Reduzierung oder Fixierung von Kohlendioxid ist ein weiterer wichtiger Prozess im Zusammenhang mit der künstlichen Photosynthese. Neben der Produktion von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser besteht ein Interesse an der Erzeugung anderer Kohlenwasserstoff-Brennstoffe durch die chemische Reduktion von CO2 unter Verwendung von Wasserstoff. Da das Kohlenstoffatom im CO2 die höchste Wertigkeit einnimmt, können je nach Reduktionsgrad unterschiedliche solcher Kraftstoffe entstehen [26]. Beispiele für Kraftstoffverbindungen, die hergestellt werden können, sind Ameisensäure (HCOOH), Methanol (CH3OH), Kohlenmonoxid (CO) [29] und Methan (CH4) [22], für die die Reduktionsreaktionen zu sehen sind:

CO2 + 2H+ + 2e– → HCOOH [22, 29]

CO2 + 2H+ + 2e– → CO + H2O [22, 29]

CO2 + 6H+ + 6e– → CH3OH + H2O [22, 29]

CO2 + 8H+ + 8e– → CH4 + 2H2O [22]

Im Gegensatz zu Wasserstoffkraftstoff haben flüssige Kohlenwasserstoffe den Vorteil, dass sie sich leicht in unsere derzeitige Energieinfrastruktur integrieren lassen und sind daher ein wünschenswerteres Produkt [1, 13, 19]. Allerdings stellt die Erzeugung solcher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe aufgrund der Mehrelektronennatur des Prozesses eine größere wissenschaftliche Herausforderung dar, was zusätzliche Komplexität mit sich bringt [13, 19].

Obwohl der genaue Mechanismus noch nicht geklärt ist, haben Forscher eine Vorstellung von dem Prozess entwickelt, der bei der Reduktion von CO2 durch Licht abläuft und dem der Wasserspaltung ähnelt. Bisher geht man davon aus, dass CO2 zunächst mit dem Katalysator interagiert und durch elektrostatische Wechselwirkungen ein Addukt bildet, das den angeregten Photosensibilisator dazu veranlasst, mindestens ein Elektron freizusetzen. Das Elektron wird auf den Katalysator übertragen, wodurch die Reduktionsreaktion aktiviert wird, gefolgt von der Protonenkopplung. Das Elektronenloch im Photosensibilisator wird sofort durch einen Elektronendonor gefüllt und der Prozess ist abgeschlossen [22].

Der Grad der Reduktion hängt von mehreren Faktoren ab. Die physikalische und chemische Umgebung spielt eine große Rolle – nämlich Temperatur, Druck, angewandte Energie usw. [22]. Der größte Einfluss bleibt jedoch die Wahl des Katalysators. Zu den idealen Katalysatorkriterien gehört ein kostengünstiges, langlebiges und selektives Material. Zu den Forschungskandidaten zählen Komplexe auf Rheniumbasis sowie häufiger vorkommende Komplexe auf Kobalt-, Nickel-, Eisen- und Zinkbasis [22, 28].

Obwohl ein hervorragend geeigneter Katalysator noch nicht entwickelt wurde, gibt es mehrere Strategien, die zur Verbesserung der chemischen Umwandlungsleistung eingesetzt werden können. Beispielsweise hat die Bautechnik großen Einfluss auf die Funktion eines Katalysators/Systems. Durch die Schaffung hierarchischer poröser Morphologien konnte die Adsorption von Zwischenprodukten an der Elektrodenoberfläche erheblich verbessert werden [27]. Auch der Einsatz von Co-Katalysatoren wie Silber, Gold und Kupfer hat sich als wirksamer Ansatz zur Steigerung der Umwandlungseffizienz erwiesen [22]. Für den Fortschritt hin zu einem praktischen System wurden viele weitere Innovationen demonstriert.

Es gibt zwei herausragende Geräte, die aufwendig für die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie entwickelt wurden, die in den Bindungen eines Brennstoffs gespeichert ist. Als erstes wird die photoelektrochemische Zelle besprochen, als zweites der photovoltaisch gekoppelte Elektrolyseur. Beide Systeme weisen Ähnlichkeiten und Unterschiede sowie Vor- und Nachteile auf.

Abbildung 6. Schematische Darstellung der Funktionsweise einer herkömmlichen photoelektrochemischen Zelle. [32]

Einige photoelektrochemische Zelldesigns enthalten auch eine Membran als Trenntechnik. Aufgrund seiner protonenleitenden Eigenschaften besteht die Membran am häufigsten aus Nafion [12]. Auch diese Methode der Wasserspaltung wurde bereits früher beschrieben.

Die Effizienz eines Wasserspaltgeräts hängt hauptsächlich vom Material der Photoanode ab. Dementsprechend sind die geeigneten Kriterien für eine Photoanode eine hohe Stabilität in wässriger Lösung, eine große Bandlücke und die Fähigkeit, sichtbares Licht zu absorbieren. Ursprünglich verwendeten die Forscher Halbleitermaterialien, doch es traten Nachteile wie geringe Effizienz, Instabilität und eine schmale Bandlücke auf. Daher hat sich der Schwerpunkt auf kohlenstoffbasierte Photoanoden, Übergangsmetalle und nanostrukturierte Photoanoden verlagert. Bei kohlenstoffbasierten Materialien weisen Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffpunkte und Kohlenstoffquantenpunkte alle eine gute Stabilität und Photostromerzeugung auf. Übergangsmetalle wie mit Germanium dotiertes Hämatit, Cadmiumsulfid, Zinkoxid, Kupfersulfid und Molybdän weisen ebenfalls eine hervorragende Leistung auf. Diese Materialien weisen aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und elektrochemischen Stabilität eine hervorragende Effizienz auf. In ähnlicher Weise wurde nachgewiesen, dass Nanostrukturen wie Nanodrähte, Nanotaper und Nanostäbe die Wasserstoffentwicklung an der Photokathode erhöhen [32].

Ein photovoltaisch gekoppelter Elektrolyseur vereint die Funktionsweise einer Solarzelle und einer elektrochemischen Zelle in separaten Schritten [13, 28, 31]. Zunächst erfolgt die Lichtabsorption und Ladungstrennung durch eine Photovoltaikzelle. Anschließend wird das von der Zelle erzeugte Energiepotential an einen Elektrolyseur angelegt, um eine Redoxreaktion auszulösen und anzutreiben [28]. Auf diese Weise wird die Sonnenstrahlung zunächst in Strom umgewandelt, der dann in der Elektrolysezelle zur Oxidation und Reduktion von Wasser bzw. CO2 genutzt wird [13]. Diese Art von System gilt als effizienterer Ansatz, da damit Wirkungsgrade von 10–15 % von Solarenergie zu Wasserstoff erreicht werden können, mit einem Rekordwert von 30 % im Jahr 2016 [31]. Abbildung 7 zeigt einen Vergleich zwischen einem photoelektrochemischen Zellgerät und einem photovoltaisch gekoppelten Elektrolysegerät sowie deren potenzielle reale Anwendungen.

Abbildung 7. Visuelle Darstellung von a) einer photoelektrochemischen Zelle und ihrer möglichen Anwendung und b) einem photovoltaisch gekoppelten Elektrolyseur und seiner möglichen Anwendung. [28]

Das hocheffiziente photovoltaisch gekoppelte Elektrolysesystem von 2016 nutzte eine kommerziell erhältliche Dreifachsolarzelle. Die drei Unterzellen bestanden aus Indiumgalliumphosphid (InGaP), Galliumarsenid (GaAs) bzw. Galliumindiumstickstoffarsenantimonid GaInNAs(Sb). Die Solarzelle war mit zwei Polymerelektrolytmembranen in Reihe geschaltet, die aus Nafion-Membranen bestanden. Die Membranen waren an der Kathode mit einem Pt-Schwarz-Katalysator und an der Anode mit einem Ir-Schwarz-Katalysator beschichtet. Um den Prozess zu starten, wurde Wasser in die Anode des ersten Elektrolyseurs gepumpt, angetrieben durch einen in der Dreifachzelle erzeugten Strom. Dadurch gelangten Wasser und Sauerstoff in die Anode des zweiten Elektrolyseurs, während Wasserstoff von der Kathode des ersten Elektrolyseurs zur Kathode des zweiten Elektrolyseurs strömte. Am zweiten Elektrolyseur wurden Wasserstoff und Sauerstoff von der Kathode bzw. der Anode gesammelt. Abbildung 8 veranschaulicht dieses Modell. Darüber hinaus wurde nicht reagiertes Wasser in das System zurückgeführt, um recycelt und erneut verwendet zu werden. Der Betrieb lief 48 Stunden lang störungsfrei und erreichte einen bemerkenswerten Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff von 30 %, was den höchsten bisher gemeldeten Wirkungsgrad darstellt. [33]

Abbildung 8. Ein photovoltaisch gekoppeltes Elektrolysesystem, bestehend aus einer Dreifachsolarzelle, die mit zwei in Reihe geschalteten Polymerelektrolytmembranen verbunden ist. [33]

Ein halbkünstliches Photosynthesesystem vereint aktiv die einzigartigen Stärken der natürlichen und künstlichen Photosynthese. Beispielsweise bietet die natürliche Photosynthese die wertvollen Vorteile einer hohen Quanteneffizienz (nahe 100 %), einer hervorragenden Selektivität und Selbstreparaturmechanismen. Andererseits bieten synthetische Ansätze die Möglichkeit, Materialien mit einem breiteren Lichtabsorptionsspektrum zu implementieren und die molekulare Chemie für verschiedene Zwecke zu manipulieren. Durch die Kombination von Aspekten von beiden Seiten haben Forscher die Möglichkeit, die einzelnen Komponenten eines Systems für bestimmte Anwendungen kontrolliert zu konstruieren und so die Nachteile zu minimieren [17, 34].

Einen interessanten Ansatz bieten hybridisierte Systeme, die synthetische Lichtabsorber mit biologisch inspirierten Katalysatoren kombinieren. Indem sie Photoströme durch elektrodenverdrahtete Enzyme treiben, können diese Katalysatoren kinetisch und thermodynamisch hartnäckige Produkte mit nahezu 100 %iger Selektivität und hohen Geschwindigkeiten erzeugen [34].

Beispielsweise wurde die Kopplung des Photosystem-II-Enzyms mit anorganischen Halbleitern untersucht. In einem Szenario wurden isolierte Photosystem-II-Enzymkomplexe mit einer mesoporösen und inversen Opal-Indium-Zinn-Oxid-Elektrode (ITO) verbunden. Die hierarchische Porosität der Elektrode weist Poren in Längen auf, die der Größe des Enzyms entsprechen. Eine visuelle Demonstration hierfür ist in Abbildung 9 zu sehen. In Kombination mit einer mit Hydrogenase beladenen Kathode zeigte das System eine Umwandlungseffizienz von Licht in Wasserstoff von 5,4 %. Daher wurde ein anorganischer Stromkollektor strategisch mit einem biologischen Katalysator verbunden, um ein vorteilhaftes System zu schaffen [34].

Abbildung 9. Enzymhybridsystem, in dem Photosystem-II-Enzyme mit einer synthetischen ITO-Elektrode gekoppelt sind. [34]

Biohybridsysteme, die eine Ganzzellimplementierung nutzen, können im Vergleich zu Einzelenzymsystemen eine komplexere Chemie erreichen. Zellorganismen wie bestimmte Bakterienarten können aufgrund ihrer metabolischen und enzymatischen Netzwerke ein hohes Maß an Effizienz und Spezifität erbringen. Daher hat die Verwendung von anorganischen Halbleitern oder Metallnanopartikeln, die mit Mikroorganismenzellen verbunden sind, ein eigenes Forschungsgebiet erhalten [17].

In einem Fall wurde ein acetogenes Bakterium Moorella thermoacetica wasserlöslichen Goldnanoclustern AuNCs (hauptsächlich Au22(SG)18) ausgesetzt, wobei die AuNCs als interzellulärer Photosynthesizer fungierten. Wenn das System mit Licht bei 532 nm beleuchtet wurde, wanderten die photogenerierten Elektronen durch Zytoplasma-Mediatoren, umgingen die Zellmembranen und erreichten die Bakterien. In der Zwischenzeit wurden die Elektronenlöcher mit Cystein gefüllt, was zu dessen Oxidation führte. Der Ladungstransfer ermöglichte schließlich die Herstellung von Essigsäure aus CO2 durch den Einbau biologisch verträglicher anorganischer Verbindungen in die Bakterienzellen. Das System setzte die CO2-Fixierung sechs Tage lang fort. Somit wurde ein Ganzzellansatz zur künstlichen Photosynthese erfolgreich durchgeführt [35].

Ein anderer Ansatz, der den anaeroben Methanosarcina barkeri einbezog, koppelte ebenfalls die biologische Funktion einer Bakterienart mit einem Materialkatalysator. Das System fand in einer photoelektrochemischen Zelle statt, die aus einer nanopartikulären Nickelsulfidelektrode bestand, einem Material, das von natürlich vorkommenden nickelabhängigen Hydrogenasen inspiriert ist. Der Kathode wurde eine Bakterienkultur zugesetzt. Bei Einwirkung sichtbarer Strahlung wurden die Reduktionsäquivalente von elektrogenem Wasserstoff verwendet, um die Reduktion von CO2 zu CH4 voranzutreiben. Ein Diagramm dieses Geräts ist in Abbildung 10 zu sehen. Die Langzeitstabilität wurde über eine einwöchige bis siebentägige Elektrolyse nachgewiesen. Während dieser Zeit war kein Leistungsverlust zu verzeichnen und das System erforderte nur einmal alle 24 Stunden eine CO2-Wiederherstellung. Daher wurde die Reduktion von CO2 zu CH4 mittels eines Biohybridsystems durchgeführt. [36]

Abbildung 10. Eine photoelektrochemische Zelle mit der Funktion von Methanosarcina barkeri zur Bildung von CH4 durch CO2-Reduktion. [36]

Wissenschaftler nutzen ihr Wissen über Nanotechnologie und molekulare Manipulation, um Strategien umzusetzen, die für verschiedene Zwecke hilfreich sein können. Elementdotierung ist beispielsweise eine Technik, mit der Halbleitern Verunreinigungen hinzugefügt werden, die ihre Funktion verändern können. Zu den wünschenswerten Funktionen gehören ein breites Lichtabsorptionsvermögen, eine effiziente Katalysatorleistung und Selektivität [13].

Darüber hinaus werden bei der Konstruktion von Geräten auf Basis molekularer Komponenten häufig supramolekulare Strategien eingesetzt. Die Organisation von Chromophoren kann zu einer schnelleren Energiebündelung und Ladungstrennung führen. Im Falle einer Katalysatoroptimierung kann die Katalyse durch supramolekulare Vororganisation verbessert und die Stabilität durch supramolekulare Käfige, die den Abbau verhindern, verstärkt werden. Daher ist die Fähigkeit, bestimmte Funktionen auf diese Weise zu manövrieren, ein wesentlicher Vorteil molekularer Systeme. [31]

Darüber hinaus spielt die Entwicklung unterschiedlicher Zellkonfigurationen und -strukturen eine wichtige Rolle für die Funktionalität eines Geräts. Beispielsweise kann eine einzelne Photoelektrode im Vergleich zu einem Tandem-Aufbau eine große Differenzierung bewirken. In ähnlicher Weise zeigen photoelektrochemische Zellen eine andere Leistung als ein photovoltaisch gekoppelter Elektrolyseur [30]. Darüber hinaus bietet eine rationelle Nanostrukturierung die Möglichkeit, die Funktionsweise eines Materials durch die Art und Weise der Oberflächenfunktionalisierung zu beeinflussen. Eine geringfügige Änderung der Struktur eines Materials kann seinen Mechanismus erheblich beeinflussen [13].

Schließlich tragen auch Betriebsbedingungen dazu bei, die Funktionsweise eines chemischen Systems zu beeinflussen. Insbesondere die Temperatur, der Druck und die Ionenkonzentration der Umgebung bieten einen erheblichen Spielraum. Das Ändern dieser Bedingungen kann zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen für dasselbe Setup führen. In vielen Fällen kann die Anpassung der Temperatur oder des Drucks eines Systems zu einer viel wirksameren Wirkung führen [30].

Obwohl auf diesem Gebiet bahnbrechende Forschungen durchgeführt wurden, steckt das Bestreben nach einem tragfähigen System noch in den Kinderschuhen. Zu diesem Zeitpunkt haben Forscher viele erfolgreiche Versionen der künstlichen Photosynthese erreicht. Alle vorgeschlagenen Methoden hatten jedoch die Nachteile unzureichender Effizienz/Geschwindigkeit, langfristiger Instabilität oder finanzieller Kosten [6]. Die Entwicklung der natürlichen Photosynthese dauerte Milliarden von Jahren, und die Menschheit versucht, sie in Jahrzehnten zu meistern. Experten gehen davon aus, dass eine solche Anlage erst in mindestens zehn Jahren industrietauglich sein wird [2].

Dennoch geht die Suche nach einem kostengünstigen, robusten und skalierbaren System weiter. Forscher der Liquid Sunlight Alliance (LiSA) und des Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE) nutzen die vom US-Energieministerium gewährten 100 Millionen US-Dollar, um dieser Herausforderung zu begegnen und bald eine Technologie zu entwickeln das für den großtechnischen Einsatz bereit ist. Darüber hinaus sind die USA nicht das einzige Land, das sich mit diesem Thema beschäftigt. Diese Art von Forschung wird in verschiedenen Teilen der Welt intensiv untersucht, beispielsweise in China, Japan und der Europäischen Union [4]. Abbildung 11 zeigt eine Darstellung der Anzahl der Veröffentlichungen zur künstlichen Photosynthese in verschiedenen Ländern.

Abbildung 11. Darstellung der Anzahl der bisherigen Veröffentlichungen zur künstlichen Photosynthese in den einzelnen Ländern im Jahr 2019. [4]

Künstliche Photosynthese könnte ein effizientes und nachhaltiges System zur Erzeugung, Speicherung und zum Transport von Energie bieten. Es kann beispielsweise zur Herstellung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen verwendet werden, die als vorteilhafter Ersatz für fossile Brennstoffe dienen können. Es kann auch Wasserstoff als Kraftstoff hergestellt werden, der auf vielfältige Weise eingesetzt werden kann. Durch die Einleitung von durch Photolyse erzeugtem Wasserstoff in eine Brennstoffzelle kann Strom erzeugt werden [18]. Abbildung 12 zeigt ein vorgeschlagenes Konzept zur Erzeugung, Speicherung und Anwendung von Solarenergie.

Abbildung 12. Ein anschaulicher Vorschlag für eine zukünftige Möglichkeit zur Herstellung von Wasserstoff als speicherbarem Solarbrennstoff und seine Anwendung zur Stromerzeugung. [18]

Darüber hinaus können, ebenso wie auf Dächern Sonnenkollektoren installiert werden können, die eine sekundäre Stromquelle darstellen, zukünftige künstliche Photosynthesegeräte auch zur Stromversorgung von Häusern eingesetzt werden. Stattdessen bietet dieses System eine Möglichkeit, die Energie für den späteren Gebrauch zu speichern.

Darüber hinaus haben sich wasserstoffbetriebene Autos als Option in der Welt des Transports herausgestellt. Mehr als 60 % des weltweiten Ölabbaus werden für den Transport verwendet [18]. So erfreuen sich Elektroautos immer größerer Beliebtheit und Modelle wie der Toyota Mirai [37], der Hyundai Nexo [38] und der Honda Clarity [39] werden mittlerweile mit Wasserstoff angetrieben, der durch künstliche Photosynthese ausreichend erzeugt werden kann. Elektrofahrzeuge bieten in der Elektrofahrzeugindustrie mehrere Vorteile. Beispielsweise benötigen sie eine kurze Aufladezeit von etwa drei Minuten und können mit einer vollen Ladung eine Strecke zurücklegen, die der eines benzinbetriebenen Autos entspricht, im Gegensatz zu den meisten Elektrofahrzeugen, die stundenlange Ladezeiten benötigen und keinen Kraftstoff mehr haben schnell [44, 45]. Darüber hinaus stoßen wasserstoffbetriebene Autos im Hinblick auf das Umweltbewusstsein keine schädlichen Nebenprodukte aus, was mehr ist, als benzinbetriebene Autos von sich behaupten können [44].

Darüber hinaus ist ein System, das künstliche Photosynthese zur Herstellung von Wasserstoff für Fahrzeugtreibstoffe nutzt, hypothetisch praktikabel. Um die Dinge ins rechte Licht zu rücken: Um ein Mol Wasserstoff zu erzeugen, sind vier Mol Sonnenlichtphotonen erforderlich. Die Erdoberfläche ist an einem Tag durchschnittlich 10–120 Mol Photonen pro Quadratmeter ausgesetzt. Das bedeutet, dass täglich zwischen 2,5 und 30 Mol Wasserstoff pro Quadratmeter produziert werden könnten. Das entspricht etwa 5–60 Gramm Wasserstoff pro Quadratmeter und Tag, und der Honda Clarity verbraucht etwa 500 Gramm Wasserstoff pro Tag für den Betrieb. Somit wären nur 10-20 Quadratmeter, was etwa der Fläche eines Garagendachs entspricht, nötig, um ein Auto zu betanken. [18]

Künstliche Photosynthese ist der Schlüssel zur Nachahmung der effektivsten Methode der Natur zur Herstellung energiereicher Kraftstoffe aus reichlich vorhandenen, erneuerbaren Quellen. Die Versorgung der Gesellschaft mit chemisch umgewandelten natürlichen Ressourcen wie Wasser und Kohlendioxid ist ideal für unsere Zukunft. In einem optimierten System könnte ein künstliches Photosynthesegerät so konzipiert werden, dass es der Umgebung überschüssiges CO2 entzieht und gleichzeitig Sauerstoff wieder an die Umgebung abgibt. Daher wäre diese Methode nicht nur eine Möglichkeit, sauberen Kraftstoff ohne schädliche Nebenprodukte zu erzeugen, sondern würde auch dazu beitragen, die globale Erwärmung umzukehren [2]. Obwohl der Aufwand mühsam ist, ist das Konzept der erneuerbaren Energie durch künstliche Photosynthese eine wertvolle und vielversprechende Lösung.

Über die Autoren:

Dr. Raj Shah ist Direktor der Koehler Instrument Company in New York, wo er seit 25 Jahren arbeitet. Er ist ein von seinen Kollegen bei IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC, The Energy Institute und The Royal Society of Chemistry gewählter Fellow. Als Empfänger des ASTM Eagle Award war Dr. Shah kürzlich Mitherausgeber des Bestsellers „Fuels and Lubricants Handbook“. , Einzelheiten dazu finden Sie unter https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL372ND_foreword.pdf

Dr. Shah hat einen Doktortitel in Chemieingenieurwesen von der Penn State University und ist Fellow des Chartered Management Institute in London. Außerdem ist er Chartered Scientist beim Science Council, Chartered Petroleum Engineer beim Energy Institute und Chartered Engineer beim Engineering Council, Großbritannien. Als außerordentlicher Professor am Fachbereich Materialwissenschaften und Chemieingenieurwesen der State University of New York, Stony Brook, hat Raj über 350 Veröffentlichungen veröffentlicht und ist seit drei Jahrzehnten im Bereich der alternativen Energien aktiv.

Weitere Informationen zu Raj finden Sie unter

https://www.petro-online.com/news/fuel-for-thought/13/koehlerinstrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrumentcompany-conferred-with-multifarious-accolades/53404

Frau Eliana Matsil ist Teil eines erfolgreichen Praktikumsprogramms bei der Firma Koehler Instrument und Studentin an der State University of New York, Stony Brook, wo Dr. Shah derzeit den externen Beirat der Abteilung für Chemieingenieurwesen leitet.

Frau Gabrielle Massoud hat einen BS in Chemieingenieurwesen und einen MS in biomedizinischer Technik. Sie verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Energiesektor und war zuvor für ExxonMobil und Soltex, Inc. tätig. In letzter Zeit beschäftigt sie sich mit alternativen Energien und Biopolymeren und engagiert sich für die Suche nach nachhaltigen Lösungen für unseren Planeten.

Referenz

[1] Styring S. Künstliche Photosynthese für Solarkraftstoffe. Faraday-Diskussion. 2012;155:357–76.

[2] Layton J. Wie künstliche Photosynthese funktioniert [Internet]. HowStuffWorks Wissenschaft. Wie Dinge funktionieren; 2020 [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/energy-produktion/artificial-photosynthesize.htm

[3] Purchase R, De Vriend H, De Groot H. Harmsen P, Bos H, Herausgeber. Künstliche Photosynthese Zur Umwandlung von Sonnenlicht in Kraftstoff. 2015Dez;

[4] Durrant J. Künstliche Photosynthese – Abschließende Bemerkungen. Faraday-Diskussionen. 5. Juni 2019;

[5] Bennett2009-04-28T14:22:16+01:00 H. Das künstliche Blatt [Internet]. Welt der Chemie. 2009 [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://www.chemistryworld.com/features/the-artificial-leaf/3004813.article

[6] Künstliche Photosynthese [Internet]. TheGreenAge. 2017 [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://www.thegreenage.co.uk/tech/artificial-photosynthesize/

[7] Davey T. Künstliche Photosynthese: Können wir die Energie der Sonne genauso nutzen wie die von Pflanzen? [Internet]. Institut für die Zukunft des Lebens. Tucker Davey https://futureoflife.org/wp-content/uploads/2015/10/FLI_logo-1.png; 2018 [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://futureoflife.org/2016/09/30/artificial-photosynthesize/

[8] Energieministerium kündigt 100 Millionen US-Dollar für Forschung zur künstlichen Photosynthese an [Internet]. Energie.gov. [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://www.energy.gov/articles/department-energy-announces-100-million-artificial-photosynthesize-research

[9] Grundlagen der Photosynthese | PRO-MIX Gewächshausanbau [Internet]. [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://www.pthorticulture.com/en/training-center/grundlagen-der-photosynthese/

[10] Vidyasagar A. Was ist Photosynthese? [Internet]. LiveScience. Kauf; 2018 [zitiert am 31. Januar 2021]. Verfügbar unter: https://www.livescience.com/51720-photosynthesize.html

[11] Andreiadis ES, Chavarot-Kerlidou M, Fontecave M, Artero V. Künstliche Photosynthese: Von molekularen Katalysatoren für die lichtgetriebene Wasserspaltung zu photoelektrochemischen Zellen. Photochemie und Photobiologie. 2011;87(5):946–64.

[12] Poudyal RS, Tiwari I, Koirala AR, Masukawa H, Inoue K, Tomo T, et al. Wasserstoffproduktion mit photobiologischen Methoden. Kompendium der Wasserstoffenergie. 2015;:289–317.

[13] Barber J, Tran PD. Von natürlicher bis künstlicher Photosynthese. Zeitschrift der Royal Society Interfac

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