Künstliches Blatt

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Die Photosynthese - ein grundlegender Prozess der Natur - lässt sich auch im Labor nachbauen. Voraussetzung für den künstlichen Einbau von Kohlendioxid in organische Moleküle ist ein geeigneter Katalysator.

Andreas Jahn

Schätzungsweise 100 Milliarden Tonnen Kohlenstoff entziehen grüne Pflanzen jährlich aus der Atmosphäre. Durch die Photosynthese zapfen sie eine äußerst ergiebige Energiequelle – das Sonnenlicht – an, bauen eigene Biomasse auf und reinigen nebenbei noch die Atmosphäre, indem sie Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff als "Abfall" abgeben. Kein Wunder, dass Techniker versuchen, diesen grundlegenden Prozess der Natur im Labor nachzubauen.

Während die natürliche Photosynthese in zwei klar voneinander getrennten Schritten abläuft – in der Lichtreaktion wird Wasser in Protonen, Elektronen und Sauerstoff gespalten, in der Dunkelreaktion wird CO₂ zusammen mit den Protonen und Elektronen in organische Moleküle eingebaut – versuchen die Techniker, CO₂ direkt mit Lichtenergie zu fixieren. Hierfür benötigen sie einen Katalysator, der das CO₂ adsorbiert, ionisiert und dann den Kohlenstoff in ein organisches Molekül einbaut, wobei er den Sauerstoff freisetzt.

Als geignet haben sich hierfür cadmiumhaltige Kristalle erwiesen, wie Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenid (CdSe). Voraussetzung für eine erfolgreiche Katalyse ist zunächst die Bindung des CO₂ an den Kristall. Hat das CO₂-Molkül diese energetische Barriere überwunden, erfolgt seine Ionisierung. Und dies ist der entscheidende Schritt, wie die Berechnungen von Ligen Wang, Stephen Pennycook und Sok Pantelides vom Oak Ridge National Laboratory jetzt zeigten.

Die Schwierigkeit dabei ist, dass das niedrigste unbesetzte Molekülorbital von CO₂ energetisch sehr hoch liegt, nur die Elektronen im so genannten Leitungsband des Kristalls können diese Barriere überwinden. Bei CdSe-Kristallen ist dieses Leitungsband normalerweise unbesetzt, die Elektronen befinden sich alle in dem niedrigeren Valenzband. Daher gelingt die Ionisierung mit CdSe-Kristallen im Gegensatz zu CdS-Kristallen zunächst nicht.

Durch Dotierung mit Indium – indem also Selen teilweise durch Indium ersetzt wird – konnten die Forscher jedoch einige Elektronen in das Leitungsband hinauf hieven. Noch günstiger erwiesen sich reine CdSe-Nanokristalle, die kleiner als 3,5 Nanometer waren. Denn auch bei diesen Nanokristallen ist das Leitungsband teilweise besetzt; die Elektronen haben genügend Energie, um auf das Molekülorbital des CO₂ überzugehen. Dadurch entsteht ein hoch reaktives CO₂-Radikal, das dann in einem zweiten Schritt mit organischen Molekülen unter Sauerstofffreisetzung reagieren kann.

Damit zeigt sich, dass die Wirksamkeit des Katalysators durch eine geeignete Kristallgröße und Dotierung entscheidend verbessert lässt. Als besonders effektiv müssten sich nach Ansicht der Forscher mit Indium dotierte CdSe-Nanokristalle erweisen: Hier liegt das Energieniveau der Elektronen so günstig, dass selbst Anregung durch Licht nicht mehr nötig wäre – das künstliche Blatt arbeitet auch bei Dunkelheit.