Ein Forschungsteam der Universität Basel hat ein neues Molekül entwickelt, das die Fotosynthese von Pflanzen nachahmt, um CO₂-neutrale Treibstoffe herzustellen. Ähnlich wie Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um CO₂ in energiereiche Zuckermoleküle umzuwandeln – ein Prozess, der die Grundlage fast allen Lebens auf der Erde ist – kann das neue Molekül unter Lichteinfluss gleichzeitig zwei positive und zwei negative Ladungen speichern.
Ziel der Forschung ist es, die natürliche Fotosynthese zu imitieren und mit Sonnenlicht sogenannte Solartreibstoffe wie Wasserstoff, Methanol oder synthetisches Benzin zu erzeugen. Bei ihrer Verbrennung entsteht nur so viel Kohlendioxid, wie für ihre Herstellung benötigt wurde, wodurch sie klimaneutral wären.
Molekül mit besonderem Aufbau
Professor Dr. Oliver Wenger und sein Doktorand Mathis Brändlin haben einen wichtigen Schritt in Richtung künstlicher Fotosynthese gemacht: Sie entwickelten ein spezielles Molekül, das unter Lichteinwirkung gleichzeitig vier Ladungen – zwei positive und zwei negative – speichern kann. Dieses Speichern mehrerer Ladungen ist entscheidend für die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie, da diese Ladungen genutzt werden können, um Reaktionen anzutreiben, wie zum Beispiel die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
Das Molekül besteht aus fünf Teilen, die jeweils eine bestimmte Funktion erfüllen: Auf der einen Seite befinden sich zwei Teile, die Elektronen abgeben und positiv geladen werden. Zwei weitere Teile auf der gegenüberliegenden Seite nehmen die Elektronen auf und werden dadurch negativ. In der Mitte des Moleküls sitzt ein Baustein, der Sonnenlicht einfängt und die Elektronenübertragung startet.
Zwei Schritte mit Licht
Die Forscher nutzten eine zweistufige Methode, um die vier Ladungen im Molekül zu erzeugen. Ein erster Lichtblitz trifft auf das Molekül und erzeugt ein positives und ein negatives Ladungspaar, die sich zu den äußeren Enden des Moleküls bewegen. Ein zweiter Lichtblitz wiederholt diesen Vorgang, sodass das Molekül schließlich zwei positive und zwei negative Ladungen speichert.
Funktioniert mit schwachem Licht
„Diese schrittweise Anregung erlaubt es, deutlich schwächeres Licht zu nutzen. Wir bewegen uns damit schon in der Nähe der Stärke von Sonnenlicht“, erklärt Brändlin. In früheren Forschungsarbeiten war extrem starkes Laserlicht nötig, was weit von der Vision einer künstlichen Fotosynthese entfernt war. „Ausserdem bleiben die Ladungen im Molekül lange genug stabil, um sie für weitere chemische Reaktionen zu nutzen.“
Zwar ist mit dem neuen Molekül noch kein funktionierendes künstliches Fotosynthese-System geschaffen. „Aber wir haben ein wichtiges Puzzleteil identifiziert und realisiert“, sagt Oliver Wenger. Die neuen Erkenntnisse aus der Studie tragen dazu bei, die für die künstliche Fotosynthese zentralen Elektronentransfers besser zu verstehen. „Wir hoffen, damit zu neuen Perspektiven für eine nachhaltige Energiezukunft beizutragen“, fügt Wenger hinzu.
Quelle
Publikation
Mathis Brändlin, Björn Pfund, Oliver S. Wenger
Photoinduced Double Charge Accumulation in a Molecular Compound
Nature Chemistry (2025), doi: 10.1038/s41557-025-01912-x
https://www.nature.com/articles/s41557-025-01912-x