Gesundheit: Wie die Pflanzen

Die Natur hat ihre Fabriken längst gebaut. Es sind grüne Pflanzen. Sie können Kohlendioxid, das ja aus Kohlenstoff und Sauerstoff zusammengesetzt ist, umwandeln. Dabei entstehen Sauerstoff und Traubenzucker. Dies gelingt mit Chlorophyll, dem grünen Pflanzenfarbstoff. Die Energie liefert das Sonnenlicht. Diese wunderbare Reaktion suchen Chemiker im Labor nachzuahmen. Gelänge es, könnte man das umweltbelastende Kohlendioxid umsetzen und gezielt nützliche Stoffe aufbauen, etwa Biomasse oder andere wertvolle Kohlenwasserstoffe.

So wird weltweit an künstlicher Fotosynthese geforscht. Einen Fortschritt konnten jetzt Forscher um Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam erzielen. Wie sie in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Band 119, Nr. 15) berichten, haben sie einen neuartigen Katalysator gefunden, der die Spaltung von Kohlendioxid erleichtert.

Denn eine der harten Nüsse, die die Chemiker bei der künstlichen Fotosynthese knacken müssen, ist der starke Zusammenhalt der Atome im Kohlendioxidmolekül. Man benötigt sehr viel Energie, um die Bindung des Kohlenstoffatoms zum Sauerstoff zu lösen.

Wäre der Spaltungsprozess erst einmal geschafft, könnte man die Kohlenstoffatome neu verknüpfen und unter Zugabe von Wasserstoff die gewünschten Kohlenwasserstoffe herstellen. Wie meist bei Umsetzungen, die nur unter großem Energieeinsatz ablaufen, wird auch bei der künstlichen Fotosynthese nach Katalysatoren gesucht. Das sind Substanzen, die Reaktionen in Gang bringen oder beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Die Natur verwendet bei der Fotosynthese einen Katalysator, der auch Metallatome wie Kalzium oder Mangan enthält. Was in dieser komplexen Struktur genau abläuft, weiß man bei weitem noch nicht. Räumliche Anordnung und genauer Abstand der Atome wurden vor kurzem von Forschern um Wolfram Sänger (Institut für Kristallographie, FU Berlin) und Athina Zouni (Max-Volmer-Institut für biophysikalische Chemie, TU Berlin) aufgeklärt und im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.

Die Potsdamer MPI-Forscher setzten nun auf einfacher gebaute Katalysatoren, die kein Metallatom besitzen. Sie benutzten Substanzen, die Stickstoff enthalten. Dabei orientierten sie sich an den Pflanzen. Denn die Fotosynthese verläuft über eine Zwischenstufe, bei der Kohlendioxid an Stickstoff gebunden wird. Die dabei entstehenden Produkte heißen Carbamate. So konstruierten Antonietti und Kollegen stickstoffhaltige Katalysatoren, die solche Carbamate bilden können.

Die schichtartig aufgebauten Systeme erwiesen sich als stabil und reaktionsfreudig. Auch Kohlendioxid ließ sich damit spalten. „Vielleicht ist das der erste Schritt zu einer künstlichen Fotosynthese“, sagt Antonietti.

Paul Janositz