Forscher entwickeln neue Methode, um Sonnenlicht in Treibstoff umzuwandeln
Die Suche nach neuen Wegen zur Nutzung der Sonnenenergie ist dank neuer Forschungen auf dem Gebiet der teilkünstlichen Photosynthese einen Schritt vorangekommen. Die Kombination von Stärken katalytischer Bioprozessanlagen mit denen synthetischer Materialien kann zu einer effizienteren und dauerhafteren solarchemischen Umwandlung führen. Katarzyna Sokól aus Cambridge, Leitautorin eines Beitrags beschreibt einer Presseerklärung zufolge diesen Vorgang in Nature Energy unter dem Titel „Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase“ (Vorspannungsfreie photoelektrochemische Wasserspaltung mit Photosystem II auf einer farbstoffsensibilisierten mit Hydrogenase verkabelten Photoanode).
Blatt der Zantedeschia – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Die natürliche Photosynthese ist der Prozess, der die Sonnenenergie umwandelt und in den chemischen Verbindungen der organischen Moleküle speichert. Obwohl die gesamte Produktionsmenge von Biomasse beeindruckend ist – mit mehr als 100 Milliarden Tonnen in Biomasse umgewandeltem Kohlenstoff pro Jahr – liegt der solare Umwandlungswirkungsgrad unter 1%, da Pflanzen in der Regel nicht das gesamte Sonnenlicht absorbieren und ihre Stoffwechselwege gering sind.
Künstliche Photosynthese gibt es seit Jahrzehnten, aber sie wird noch nicht erfolgreich zur Erzeugung Erneuerbarer Energien eingesetzt, da sie meist auf teure und giftige Katalysatoren angewiesen ist. Daher kann sie noch nicht genutzt werden, um die Ergebnisse auf ein industrielles Niveau zu bringen
Die Forschungsarbeiten in Cambridge sind Teil des aufstrebenden Bereichs der semi-artifiziellen Photosynthese, die darauf abzielt, die Grenzen der vollkünstlichen Photosynthese zu überwinden, indem sie Enzyme einsetzt, um die gewünschte Reaktion zu erzeugen. Sokól, Doktorandin am St John’s College der Universität von Cambridge, und das Forscherteam verbesserten nicht nur die Menge der produzierten und gespeicherten Energie, sondern es gelang ihnen auch, einen seit Jahrtausenden in den Algen ruhenden Prozess zu reaktivieren. Sokól: „Hydrogenase ist ein in Algen vorhandenes Enzym, das in der Lage ist, Protonen in Wasserstoff zu verwandeln. Während der Evolution wurde dieser Prozess deaktiviert, weil er für das Überleben nicht notwendig war, aber wir konnten die Inaktivität erfolgreich umgehen, und die gewünschte Reaktion erreichen – die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.“
Sokól hofft, dass die Ergebnisse die Entwicklung neuer innovativer Modellsysteme für die Solarenergieumwandlung ermöglichen werden und fügte hinzu: „Es wird spannend sein, dass wir selektiv die nötigen Prozesse auswählen und die gewünschte Reaktion erzielen können, die von Natur aus unzugänglich ist. Dies könnte eine großartige Plattform für die Entwicklung von Solartechnologien sein. Der Ansatz könnte genutzt werden, um andere Reaktionen miteinander zu koppeln, um zu sehen, was getan werden kann, aus diesen Reaktionen zu lernen und dann synthetische, robustere Teile der Solarenergietechnologie zu bauen.“ Dieses Modell ist das erste, das Hydrogenase und Photosystem II erfolgreich einsetzt, um eine semi-künstliche Photosynthese zu erzeugen, die rein durch Sonnenenergie angetrieben wird.
Erwin Reisner, Leiter des Reisner Labors, Fellow des St John’s College der University of Cambridge und einer der Co-Autoren des Papiers, bezeichnete die Forschung als „Meilenstein“: „Diese Arbeit überwindet viele schwierige Herausforderungen, die mit der Integration biologischer und organischer Komponenten in anorganische Materialien für die Montage von semiartifiziellen Geräten verbunden sind, und eröffnet einen Werkzeugkasten für die Entwicklung zukünftiger Systeme zur Umwandlung von Solarenergie.“
Künstliche Systeme mit besserer Leistung als natürliche?
Wissenschaftler glauben daher, so ein Editorial in Nature Nanotechnolgy – dass sie künstliche Systeme mit besserer Leistung erstellen können als natürliche. Künstliche photosynthetische Systeme übertreffen bereits natürliche katalytische in Bezug auf Einfachheit, Kontrolle des Ladungsverkehrs und Spektralbereich ihrer Lichtadsorption. Biologische Systeme hingegen arbeiten komplexer und energieintensiver. Allerdings wurde durch die höhere Selektivität gegenüber komplexen Produkten und die Selbstreparatureigenschaften natürlicher photosynthetischer Systeme viel Arbeit angeregt, insbesondere in Verbindung mit Entwicklungen in der synthetischen Biologie, die die Synthese von Enzymen und Zellen mit verbesserter katalytischer Aktivität und höherer Stabilität ermöglichen.
Forscher haben herausgefunden, dass bei der Vernetzung von Enzymen oder sogar ganzen Zellen mit synthetischen Materialien in semi-artifiziellen Photosynthese-Systemen die beiden Komponenten synergetisch zusammenarbeiten können, um die Umwandlung von Sonnenenergie zu fördern. Nehmen wir zum Beispiel das Photosystem II, das einzige Enzym in der Natur, das Wasser oxidiert. Dies geschieht auf ineffiziente Weise, aber wenn es mit synthetischen Lichtabsorbern integriert wird, wird die Effizienz der Wasseroxidation erheblich gesteigert. Sakimoto et al. berichten, dass das nicht-photosynthetische Bakterium Moorella thermoacetica Essigsäure aus Kohlendioxid photosynthetisieren kann, wenn es mit einem anorganischen Photosensitizer, Cadmiumsulfid, verbunden ist.
E-Fuels, synthetische Kraftstoffe, Designer Fuels
Halbkünstliche kolloidale Enzym-/Zellsysteme oder biohybride Photokathoden können auch reduktive Chemie leisten, und eine beträchtliche Forschungsaktivität hat sich auf die Herstellung von Kraftstoffen oder Chemikalien wie Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen aus Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid konzentriert. Dank der Fortschritte in der Strukturbiologie verstehen wir heute die Strukturen vieler Enzyme besser. Es wird auch anerkannt, dass die Elektronen- und Energieübertragung an aktive Stellen in Material-Enzym-Hybridsystemen durch eine Reihe von Kofaktoren der Elektronenübertragung erfolgt. In diesem Sinne ist es nun möglich, die Bindung von Enzymen an die Elektrode zu steuern, um einen schnelleren Energietransfer zu erreichen. Die Reinigung von Enzymen ist jedoch immer noch schwierig, und Enzyme können leicht ex vivo destabilisieren. Im Gegensatz dazu sind die Material-Zell-Hybride einfacher zu konstruieren und langlebiger. Daher scheinen Material-Enzym-Hybride ein großes Potenzial zu haben, auch wenn noch viel Grundlagenforschung erforderlich ist, um die beteiligten chemischen Pfade zu charakterisieren.
Für Material-Zell-Hybridsysteme bleibt das Verständnis und die Maximierung des Grenzflächenladungsverkehrs eine zentrale Herausforderung zur Effizienzsteigerung. Für das M. thermoacetica-CdS-System haben Sakimoto et al. gezeigt, dass die photogenierten Elektronen aus CdS auf den Wood-Ljungdahl-Weg innerhalb von Zellen weitergeleitet werden, um Essigsäure aus CO2 zu produzieren. Ein Beitrag von Zhang et al. in dieser Ausgabe von Nature Nanotechnology berichtet von einem photosynthetischen Biohybridsystem, in dem Goldnanocluster in nicht-photosynthetische Bakterien eingebaut sind, wodurch der enge Kontakt zwischen Zellpfaden und dem intrazellulären Photosensibilisator den Elektronen- und Energietransfer zur CO2-Fixierung unterstützt und die Quanteneffizienz um 33% verbessert. Darüber hinaus ist das System langlebiger, da Gold biokompatibler ist als das in früheren Arbeiten verwendete CdS (die intrazellulären Goldnanocluster sind weniger toxisch und können reaktive Sauerstoffspezies einfangen, die die Zellen schädigen könnten).[note Ein photosynthetisches Biohybridsystem, das auf nicht-photosynthetischen Bakterien mit integrierten Goldnanoclustern basiert, erreicht einen schnelleren Elektronentransfer und eine dauerhaftere solare CO2-Fixierung – Bild © Nature Nanotechnology]
Obwohl die semi-artifizielle Photosynthese, die natürliche katalytische Maschinen mit synthetischen Materialien verbindet, in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, ist der Weg über rein natürliche oder rein künstliche Systeme noch weit. Das Verständnis und die Manipulation der synthetisch-biotischen Schnittstelle bleibt die zentrale Herausforderung. Enzymhybride können als vereinfachtes Modell verwendet werden, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie man den Ladungstransfer und die Produktausbeute von Vollzellen-Hybridsystemen verbessern kann. Und Protein-Engineering oder gezielte Evolution könnten eine zukünftige Richtung sein, um die biokatalytische Wirksamkeit von Enzymen oder ganzen Zellen zu verbessern. Schließlich darf sich die Bedeutung der Forschung an semi-artifiziellen Systemen nicht darauf beschränken, nach alternativen Ansätzen für die Umwandlung von Solar- in Brennstoff zu suchen. Es kann uns auch helfen, natürliche Biomaschinen auf verschiedene Weise zu verstehen, wie Kornienko et al. in ihrem Review erklären.
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