Halbkünstliche Blätter wandeln Schadstoffe und Sonnenlicht in nützliche Chemikalien um.

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Redaktionsteam der Website für technologische Innovation – 06.11.2025

Es sieht zwar nicht wie ein natürliches Blatt aus, aber das biohybride Kunstblatt hat sich als haltbarer erwiesen als seine Vorgänger. [Bild: Universität Cambridge]

Biohybridblatt

Ein künstliches Blatt , eine Art Bioreaktor, der mit Solarenergie betrieben wird, ahmt die Photosynthese nach, um auf nachhaltige Weise wertvolle Chemikalien zu produzieren.

Die wichtigste Neuigkeit ist, dass diese Zelle eine Hybridzelle ist, die organische Halbleiter und Enzyme kombiniert, um _CO₂ und Sonnenlicht hocheffizient in Formiat umzuwandeln. Diese Zusammensetzung verleiht ihr Langlebigkeit, doch sie ist vor allem deshalb bemerkenswert, weil sie völlig ungiftig ist und ohne fossile Brennstoffe auskommt – ein vielversprechender Schritt hin zu einer umweltfreundlicheren chemischen Industrie.

Formiat – das entweder Natrium oder Calcium sein kann – ist eine vielseitige Verbindung mit einem breiten Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen, vom Zementhaftvermittler und Textilbleichmittel bis hin zum Lebensmittelzusatzstoff und chemischen Zwischenprodukt für die Herstellung anderer Produkte.

Dies ist das erste Mal, dass organische Halbleiter als Lichtsammelkomponente eingesetzt wurden, wodurch ein Biohybridsystem entsteht und der Weg für eine neue Generation umweltfreundlicher künstlicher Blätter geebnet wird.

„Wenn wir eine Kreislaufwirtschaft aufbauen und nachhaltig agieren wollen, stellt die chemische Industrie ein großes und komplexes Problem dar, dem wir uns stellen müssen“, sagte Professor Erwin Reisner von der Universität Cambridge in Großbritannien. „Wir müssen Wege finden, diesen wichtigen Sektor zu dekarbonisieren, der so viele lebensnotwendige Produkte herstellt, die wir alle benötigen. Es ist eine große Chance, wenn wir es richtig angehen.“

Die chemische Industrie ist für etwa 6 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich.

Durch die Eliminierung toxischer Verbindungen wurde das künstliche Blatt in die Kategorie des halbkünstlichen Blattes hochgestuft. [Bild: Celine Wing See Yeung et al. - 10.1016/j.joule.2025.102165]

Halbkünstliches Blatt

Die Innovation besteht aus einem Hybridgerät, das lichtabsorbierende organische Polymere und bakterielle Enzyme kombiniert, um Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid in Formiat umzuwandeln.

Durch die Verwendung organischer Komponenten auf Kohlenstoff- und Stickstoffbasis konnte das Team seine Zelle weiterentwickeln und nennt sie ein „semi-künstliches Blatt“. Ziel ist es, wie immer, die Photosynthese nachzubilden – den natürlichen Prozess, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in Energie umwandeln – und dabei auf jegliche externe Energiezufuhr zu verzichten. Im Gegensatz zu früheren Projekten, die auf toxischen oder instabilen Lichtabsorbern basierten, verwendet dieses neue Biohybrid-Modell ungiftige Materialien, arbeitet effizienter und bleibt ohne zusätzliche Zusätze stabil.

Die Forscher bewältigten zudem eine langjährige Herausforderung: Die meisten künstlichen Blätter benötigen chemische Zusätze, sogenannte Puffer, um die Enzyme funktionsfähig zu halten. Diese zersetzen sich jedoch oft schnell und beeinträchtigen die Zellstabilität. Durch die Integration des Hilfsenzyms Carboanhydrase in eine poröse Titandioxidstruktur (Titanoxid) ermöglichten die Forscher ihrem halbkünstlichen Blatt, in einer einfachen Bicarbonatlösung, ähnlich wie Sprudelwasser, ohne schädliche Zusätze zu funktionieren.

Architektur von halbkünstlichen Biohybridblättern. [Bild: Celine Wing See Yeung et al. - 10.1016/j.joule.2025.102165]

Testen und Verbessern

In Demonstrationsversuchen nutzte das Team Sonnenlicht, um Kohlendioxid in Formiat umzuwandeln und setzte dieses dann direkt in einer Domino-Reaktion ein, um eine wertvolle, in der Pharmazie verwendete Verbindung zu synthetisieren. Dabei wurden eine hohe Ausbeute und Reinheit erzielt.

Die Forscher werden sich nun darauf konzentrieren, das Design zu optimieren, um die Lebensdauer des Geräts zu verlängern und es an die Herstellung verschiedener Arten von Chemikalien anzupassen.

„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, solarbetriebene Geräte herzustellen, die nicht nur effizient und langlebig, sondern auch frei von giftigen oder nicht nachhaltigen Komponenten sind“, sagte Reisner. „Dies könnte eine grundlegende Plattform für die Produktion grüner Kraftstoffe und Chemikalien in der Zukunft sein – eine echte Chance für spannende und wichtige chemische Forschung.“

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