Künstliche Photosynthese: Forscher ahmen Pflanzen nach

Die Photosynthese ist ein fabelhafter Prozess: Aus den einfachen Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser erzeugen Pflanzen damit Zuckermoleküle und Sauerstoff. Die Energie, die sie für diesen komplexen Vorgang brauchen, ziehen sie aus dem Sonnenlicht.

Könnte der Mensch die Photosynthese nachmachen, hätte das viele Vorteile. Mit der Gratis-Energie der Sonne ließe sich Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen und es für den Aufbau von Kohlenhydraten und anderen nützlichen Substanzen einsetzen. Möglich wäre auch die Produktion von Wasserstoff, denn bei der Photosynthese wird Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gespalten.

Photosynthese: Komplexer Prozess mit vielen Beteiligten

Kein Wunder also, dass viele Forschende an der künstlichen Photosynthese arbeiten. Einfach ist das nicht, denn die Photosynthese ist ein äußerst komplexer Prozess: Sie läuft in den Zellen der Pflanzen in vielen Einzelschritten und unter der Beteiligung zahlreicher Farbstoffe, Proteine und anderer Moleküle ab. Doch der Wissenschaft gelingen immer wieder neue Fortschritte.

Zu den führenden Forschern auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese gehört der Chemiker Professor Frank Würthner von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Sein Team hat es jetzt geschafft, einen der ersten Schritte der natürlichen Photosynthese mit einer ausgeklügelten Anordnung künstlicher Farbstoffe nachzuahmen und genauer zu analysieren.

Die Ergebnisse entstanden in Kooperation mit der Gruppe von Professor Dongho Kim an der Yonsei-Universität in Seoul (Korea). Veröffentlicht sind sie im Journal Nature Chemistry.

Schneller und effizienter Energietransport in einem Stapelsystem

Was den Forschern gelungen ist: Sie haben einen Stapel aus Farbstoffen synthetisiert, der dem Photosynthese-Apparat in Pflanzenzellen sehr nahekommt – er absorbiert an einem Ende Lichtenergie, nutzt sie zur Trennung von Ladungsträgern und leitet diese über einen Transport von Elektronen schrittweise ans andere Ende weiter. Die Struktur besteht aus vier aufeinander gestapelten Farbstoff-Molekülen aus der Klasse der Perylenbisimide.

„Wir können den Ladungstransport in dieser Struktur mit Licht gezielt anstoßen und haben ihn genau analysiert. Er läuft effizient und schnell ab. Das ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung einer künstlichen Photosynthese“, sagt Doktorand Leander Ernst, der die gestapelte Struktur synthetisiert hat.

Supramolekulare Drähte als Ziel der Forschungsarbeiten

Als nächstes will das JMU-Forschungsteam das Nanosystem aus gestapelten Farbstoff-Molekülen von vier auf mehr Bestandteile vergrößern – mit dem Ziel, am Ende eine Art supramolekularen Draht zu schaffen, der Lichtenergie aufnimmt und sie schnell und effizient auch über größere Strecken hinweg transportiert. Das wäre ein weiterer Schritt hin zu neuartigen photofunktionalen Materialien, die sich für die künstliche Photosynthese nutzen lassen.

Publikation

Photoinduced stepwise charge hopping in π-stacked perylene bisimide donor-bridge-acceptor arrays. Leander Ernst, Hongwei Song, Dongho Kim, Frank Würthner. Nature Chemistry, 14. März 2025, DOI 10.1038/s41557-025-01770-7

Förderung

Das bayerische Wissenschaftsministerium hat die Arbeiten im Rahmen des Forschungsnetzwerks „Solar Technologies go Hybrid“ (SolTech) gefördert. https://www.soltech-go-hybrid.de/

Die Arbeiten an der Yonsei Universität in Seoul wurden von der National Research Foundation of Korea (NRF) finanziert.

Kontakt

Prof. Dr. Frank Würthner, Institut für Organische Chemie, Center for Nanosystems Chemistry, Universität Würzburg, frank.wuerthner@uni-wuerzburg.de