Forschungsbericht 2025 - Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Künstliche Photosynthese mit Kohlenstoffnitriden – jenseits der Wasserspaltung
Abteilung: Kolloidchemie
Photosynthese ist eine Strategie, die Pflanzen und Bakterien seit Milliarden von Jahren nutzen, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Diese Energie wird in Molekülen gespeichert und treibt so den Aufbau neuer Biomasse aus Kohlendioxid und Wasser an. Seit langem ahmt die Wissenschaft dieses Prinzips technisch nach: In der künstlichen Photosynthese absorbieren Materialien Licht und nutzen es, um chemische Reaktionen anzutreiben. Dass das Grundprinzip funktioniert, ist bekannt – die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist das klassische Demonstrationsbeispiel.
In der Abteilung Kolloidchemie geht es nun um den nächsten Schritt: künstliche Photosynthese alltagstauglich zu machen. Durch die gezielte Feinabstimmung von Kohlenstoffnitrid-Katalysatoren auf der Nanometerskala eröffnen die involvierten Projektgruppen praxisnahe Perspektiven – von der Umwandlung von Kohlendioxid in chemische Bausteine über die lichtgetriebene Herstellung von Wasserstoffperoxid bis hin zum Upcycling von Kunststoffabfällen.
Plattform für realitätsnahe Sonnenchemie
Grundlage all dessen ist ein geeigneter Katalysator. Frühe Photokatalysatoren bestanden meist aus Metalloxiden. Diese sind zwar robust, aber sie nutzen vor allem ultraviolettes Licht – also nur einen kleinen Teil des Sonnenlichts. Die Abteilung Kolloidchemie hat als Erste gezeigt, dass Kohlenstoffnitrid eine überzeugende Alternative ist: Dieses Material ist ein metallfreier, langlebiger Halbleiter, der aus günstigen Ausgangsstoffen wie Harnstoff hergestellt werden kann und sich so einstellen lässt, dass er einen größeren Teil des Sonnenspektrums nutzt.
Aufbauend auf dieser langjährigen Expertise liegt der nächste Schritt in der Verfeinerung der inneren Struktur des Materials im Nanometerbereich. Ein zentrales Konzept ist das sogenannte Donor-Akzeptor-Design: zwei miteinander verbundene, jedoch räumlich getrennte Bereiche, die lichtinduzierte Ladungen gezielt in verschiedene Richtungen lenken. So bleiben sie lange genug getrennt, um chemische Reaktionen auszulösen, ohne sich gegenseitig aufzuheben. Diese Feinjustierung macht Kohlenstoffnitrid effizienter – und eröffnet neue Wege jenseits der klassischen Wasserspaltung.
Vorbild Natur: CO₂ in chemische Bausteine verwandeln
Die Spaltung von Wasser beweist das Prinzip der künstlichen Photosynthese, doch die Abteilung verfolgt bewusst nützlichere Endprodukte. „Wasserstoff ist schwer zu speichern und zu transportieren, weil er hochentzündlich ist, und Sauerstoff hat kaum wirtschaftlichen Wert, da er ohnehin in der Luft vorhanden ist“, erklärt Christian Mark Pelicano.
Der Blick richtet sich daher erneut auf die Natur: In der Photosynthese nehmen Pflanzen CO2 auf und nutzen Sonnenlicht, um daraus kohlenstoffhaltige Moleküle zu erzeugen, die Energie speichern und als Baumaterial dienen. Dasselbe Grundprinzip haben wir im Labor erprobt – Licht wird genutzt, um CO2 in chemische Grundbausteine umzuwandeln. Dazu haben wir das Kohlenstoffnitrid mit gezielt gestalteten aktiven Zentren ausgestattet und sogenannte Hybridkatalysatoren entwickelt, welche die Umsetzung gezielt in eine gewünschte Richtung lenken. Das Kohlenstoffnitrid lässt sich jetzt so gestalten, dass CO2 (als Gas) und Wasser gleichzeitig an der Katalysatoroberfläche zusammentreffen. So kann in einem einfachen Aufbau Sonnenlicht CO2 in kleine kohlenstoffbasierte Verbindungen überführen, die sich weiterverarbeiten lassen.
Sonnengetriebenes Wasserstoffperoxid
Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist Wasserstoffperoxid H2O2 – ein industrieller Allrounder, der von der Papier- und Textilherstellung bis zur chemischen Industrie eingesetzt wird. In einer aktuellen Studie zeigte Pelicano, dass die Zugabe einer kleinen Menge Ammoniumchlorid die Struktur eines Kohlenstoffnitrid-Katalysators auf der Nanometerskala verändert: Größere Kristalle zerfallen, es entstehen gezielte „Unregelmäßigkeiten“, und Ladungen erreichen die Reaktionszentren effizienter. Das Ergebnis ist ein Material, das unter Sonnenlicht mehr Wasserstoffperoxid erzeugt und Licht tiefer im sichtbaren Bereich nutzt. Langfristig zielt dieser Ansatz auf kleine, dezentrale Reaktoren, die Wasserstoffperoxid lokal aus Licht und Sauerstoff aus der Luft herstellen – als Alternative zu energieintensiven, zentralisierten Produktionsanlagen.
Kunststoffe mit Sonnenlicht aufwerten
Photokatalyse könnte auch beim Umgang mit Kunststoffabfällen neue Wege eröffnen. Heute werden Kunststoffe meist verbrannt oder mechanisch recycelt – oft mit Qualitätsverlust. Sonnengetriebene Chemie eröffnet eine ambitioniertere Option: Kunststoffe gezielt in kleinere, nutzbare Moleküle zu zerlegen und daraus neue Ausgangsstoffe zu gewinnen.
Hier bietet Licht einen besonderen Vorteil. In der klassischen Chemie verlaufen Reaktionen meist „bergab“ zu stabileren, energieärmeren Produkten. Künstliche Photosynthese kann zusätzliche Energie aus Sonnenlicht liefern und Reaktionen in Richtung höherenergetischer Produkte lenken. Wir verfolgen hier einen Ansatz, der Photokatalyse mit photothermischen Effekten kombiniert: Sonnenlicht liefert nicht nur Energie für Reaktionen, sondern auch sanfte Wärme. Sie erweicht Kunststoffe und beschleunigt die Prozesse.
Große Chancen – bei ehrlicher Betrachtung der Grenzen
Die Zukunft der sonnengetriebenen Chemie ist vielseitig, verlangt aber einen realistischen Maßstab. Sonnenlicht ist eine verdünnte Energiequelle: Selbst sehr effiziente Systeme liefern pro Quadratmeter nur begrenzte Mengen. „Es ist irreführend, künstliche Photosynthese als Ersatz für Hochleistungsfabriken zu denken“, sagt Markus Antonietti. „Ihr Potenzial liegt darin, Chemie neu zu denken – leise, flächig und im Maßstab der Natur.“
Um relevante Erträge zu erzielen, sollte künstliche Photosynthese daher nicht mit kompakten Industrieanlagen verglichen werden, sondern mit der Landwirtschaft, die ebenfalls auf großen Flächen arbeitet. In diesem Maßstab sind die Zahlen ermutigend: Ein System mit einer Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz von etwa 10 % könnte theoretisch rund 46 Tonnen Wasserstoff pro Hektar und Jahr erzeugen – eine deutlich höhere Wertschöpfung als typische landwirtschaftliche Erträge.
Diese Perspektive kann plakativ in der Vision eines „künstlichen Baumes“ zusammengefasst werden: kostengünstige Systeme, die mit Sonnenlicht, CO2 und Wasser gespeist werden und ein- bis mehrmals im Jahr „geerntet“ werden. Es ist keine Fabrik – sondern ein solarer Obstgarten, in dem Treibstoffe oder chemische Grundstoffe entlang saubereren Produktionswegen wachsen.
