Von Sonnenlicht zu Kraftstoff: Prof. Ong Wee Jun treibt Malaysias künstliche Photosynthese voran

Aus einer Kinderfrage wird eine nationale Mission für Energie

Als Schüler der vierten Klasse im Biologieunterricht über Photosynthese stellte Ong Wee Jun eine einfache Frage: Könnte man Sonnenlicht wie Pflanzen nutzen, um das moderne Leben mit Energie zu versorgen? Aus dieser Neugier wurde seine Lebensaufgabe. Der malaysische Wissenschaftler verfolgt heute dasselbe Prinzip mit Methoden der Nanowissenschaft und Katalyse und speichert Sonnenlicht in den Bindungen sauberer Kraftstoffe.

Prof. Dr. Ong ist stellvertretender Dekan an der Xiamen University Malaysia und Gründungsdirektor des Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology, kurz CONNECT. Er und sein Team entwickeln künstliche Blätter, die die wesentlichen Schritte der Photosynthese nachahmen. Ihre Geräte nutzen speziell entwickelte Nanomaterialien statt Chlorophyll, um energiereiche Moleküle herzustellen.

CONNECT erforscht die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser, die Umwandlung von CO2 in Methanol und andere Chemikalien sowie die Herstellung von Kraftstoffen aus Kunststoffabfällen. Die langfristige Vision umfasst modulare, solarbetriebene Wasserstoffanlagen, die ländliche Gemeinden mit Energie versorgen und Spitzenforschung in den Alltag bringen können.

Was künstliche Photosynthese konkret bewirkt

Künstliche Photosynthese nutzt lichtabsorbierende Materialien und Katalysatoren, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Das Gerät absorbiert Photonen, erzeugt bewegliche Ladungsträger und nutzt diese, um Wasser zu spalten oder Kohlendioxid zu reduzieren. Dabei entsteht ein Kraftstoff, der gespeichert, transportiert und genutzt werden kann, wenn die Sonne nicht scheint.

Bei der Wasserspaltung setzt eine Reaktion Sauerstoff frei, während bei der anderen Wasserstoff entsteht. Halbleiter liefern die Energie, während Katalysatoren die Aktivierungsbarriere für die jeweiligen Reaktionen senken. Wasserstoff dient als Energieträger für Brennstoffzellen und als sauberer Ausgangsstoff für die Ammoniak- und Stahlproduktion sowie für Raffinerien.

Auch bei der Umwandlung von CO2 in Kraftstoffe kommt dasselbe Prinzip zum Einsatz. Maßgeschneiderte Katalysatoren lenken Elektronen so, dass sie CO2 in Kohlenmonoxid, Ameisensäure oder Methanol umwandeln. Die Geräte können pulverförmige Photokatalysatoren, photoelektrochemische Zellen mit lichtabsorbierenden Elektroden oder elektrokatalytische Systeme sein, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Das Ziel ist dasselbe: stabiler Betrieb mit hoher Effizienz und vertretbaren Kosten.

Von Durchbrüchen im Labor zu konkreten Projekten in Malaysia

CONNECT bringt Forschung durch Kooperationen mit der Industrie und der Regierung in die Anwendung. Im August 2024 gab die Xiamen University Malaysia bekannt, dass Prof. Ong einen Förderzuschuss aus dem PETRONAS Academia Collaboration Dialogue in Höhe von mehr als einer Million RM erhalten hat. Mit dem Projekt soll CO2, das beim Abfackeln an landgestützten Gasterminals entsteht, mithilfe solarbetriebener künstlicher Photosynthese in wertvolle Chemikalien umgewandelt werden. Damit wird eine industrielle Emissionsquelle direkt angegangen.

Das PETRONAS-Programm wählte 61 Projekte aus 588 Bewerbungen von 25 Universitäten aus. Für CONNECT stärkt es ein Forschungsportfolio, zu dem ein Prototyp für die Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff gehört, dessen Fertigstellung für Mitte 2026 geplant ist, ebenso wie Katalysatoren zur Eindämmung von Treibhausgasen und Verfahren zur Umwandlung von Palmölabfällen in Graphen und grünen Wasserstoff. Der gemeinsame Nenner dieser Vorhaben ist einfach: vielversprechende Nanokatalysatoren aus kontrollierten Labortests in robuste Geräte zu überführen, die unter freiem Himmel funktionieren.

Wie die Wissenschaft in diesen Katalysatoren funktioniert

Künstliche Photosynthese beruht auf drei Säulen: Materialien, die Licht absorbieren, Strukturen, die Ladungsträger getrennt halten, und katalytische Zentren, die Reaktionen schnell und selektiv ablaufen lassen. CONNECT baut diese Säulen mit einer Kombination aus zweidimensionalen Materialien, gezielten Übergängen und Oberflächenzentren aus häufig vorkommenden Elementen auf.

Zweidimensionale Materialien und Heterostrukturen

Zweidimensionale Materialien, von graphenähnlichen Kohlenstoffschichten bis hin zu Übergangsmetalldichalkogeniden, bieten ultradünne Wege für Ladungsträger. Werden zwei 2D-Schichten übereinandergestapelt, entsteht eine große Grenzfläche, an der sich Elektronen und Löcher effizient trennen. Durch die Wahl von Paaren, deren Energiebänder auf die Wasserspaltung oder die CO2-Reduktion abgestimmt sind, steigern diese 2D-auf-2D-Heterostrukturen die Effizienz, ohne auf seltene Elemente angewiesen zu sein.

Ladungstransport nach Z-Schema und S-Schema

Die natürliche Photosynthese nutzt zwei Lichtreaktionen, die oft als Z-Form dargestellt werden, um hochenergetische Ladungsträger bereitzustellen. Künstliche Geräte ahmen dieses Prinzip mit Z-Schema- und S-Schema-Konzepten nach. Zwei Lichtabsorber werden so miteinander verbunden, dass nur die stärksten reduzierenden Elektronen und die stärksten oxidierenden Löcher übrig bleiben, während die schwächeren Ladungsträger einander aufheben. Wenn die aktivsten Ladungsträger erhalten bleiben, werden schwierige Reaktionen verbessert und Nebenreaktionen unterdrückt.

Metallkarbide und MXen-Materialien

Übergangsmetallkarbide, darunter MXene, verbinden eine hohe Leitfähigkeit mit anpassbaren Oberflächen. Sie können als Lichtabsorber oder als Kokatalysatoren dienen, also als Oberflächenhelfer, die wichtige Reaktionsschritte beschleunigen und die Selektivität steuern. MXene werden durch Ätzen geschichteter Ausgangsmaterialien hergestellt, wodurch leitfähige Schichten entstehen. Ihre Oberflächengruppen, die vom Syntheseverfahren abhängen, beeinflussen, wie gut sie Moleküle adsorbieren und Ladungsträger bewegen können. Beides ist entscheidend für eine stabile und effiziente Produktion solarer Kraftstoffe.

Mit Licht und intelligenter Chemie aus Abfällen Wertstoffe machen

Kunststoffe sind praktisch, stellen aber zugleich ein Abfallproblem dar. Beim photokatalytischen und elektrokatalytischen Upcycling wird dieses Problem mit gezielter Chemie angegangen. Mithilfe von Licht oder erneuerbarem Strom können Katalysatoren lange Polymerketten aufbrechen und in nützliche Moleküle wie Formiat, Acetat, Alkohole oder Wasserstoff umwandeln. CONNECT verfolgt diesen Ansatz auch bei landwirtschaftlichen Reststoffen. In Malaysias Palmölsektor fallen kohlenstoffreiche Abfälle an, die zu Graphen und grünem Wasserstoff aufgewertet werden können. Die Gruppe meldet ein Patent zur Herstellung von Graphen und Wasserstoff aus Biomethan. Das zeigt, wie Abfallströme zu Ausgangsstoffen für Materialien und Energie werden können.

Wasserstoff aus Wasser: vom Labortisch ins Freiland

Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht herzustellen klingt einfach, doch die Integration im Freien ist schwierig. Ein Gerät muss Licht effizient einfangen, Wasser spalten, Wasserstoff und Sauerstoff getrennt halten und monatelang Hitze, Regen und Staub standhalten. CONNECT baut einen größeren Prototyp, um ihn unter Freilandbedingungen zu testen. Bis Mitte 2026 soll eine funktionsfähige Anlage zur Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff entstehen, die Photokatalyse und Photoelektrochemie kombiniert.

Bei der Skalierung stehen meist zwei Fragen im Vordergrund. Die Effizienz, gemessen als Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff, muss steigen, während die Materialien bezahlbar bleiben. Viele Fachleute halten 10 Prozent für einen praxisnahen Richtwert, wobei die Kosten je nach Standort variieren. Der zweite Prüfstein ist die Haltbarkeit. Katalysatoren können sich unter Sauerstoffeinfluss und intensivem Licht zersetzen. Meerwasser enthält zusätzlich Chlorid, das Korrosion und die Bildung von Chlor auslösen kann. Forschungsteams begegnen dem mit Schutzschichten, selektiven Membranen und Reaktionsbedingungen, die ausschließlich die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff begünstigen.

Warum das für Malaysia und die Region wichtig ist

Malaysia strebt bis 2050 Netto-Null-Emissionen an. Dafür braucht es neue saubere Kraftstoffe und einen effizienteren Umgang mit Kohlenstoff. Künstliche Photosynthese knüpft an mehrere nationale Prioritäten an. Wasserstoff kann erneuerbare Energien ergänzen und die Emissionen der Industrie senken. Wird CO2 aus Abfackelungs- oder Prozessströmen in Ausgangsstoffe umgewandelt, entsteht aus Abfall ein Wertstoff. Die Aufwertung von Kunststoff- und Biomasseabfällen verringert den Druck auf Deponien und den Bedarf an importierten fossilen Rohstoffen. Modulare Anlagen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Kraftstoffe könnten Schulen, Kliniken und kleine Unternehmen in abgelegenen Gebieten versorgen, in denen der Ausbau des Stromnetzes nur langsam vorankommt.

Kooperationen, Nachwuchsförderung und digitale Werkzeuge beschleunigen den Fortschritt

CONNECT kommt durch Partnerschaften mit PETRONAS Research und nationalen Technologieprogrammen voran und vereint Fachwissen aus Chemie, Materialwissenschaften, Ingenieurwesen und Datenwissenschaft. Dichtefunktionaltheorie und maschinelles Lernen helfen dabei, Tausende mögliche Katalysatoren zu prüfen, bevor einige davon im Labor hergestellt werden. Das spart Zeit und Kosten. Prof. Ong betreut eine wachsende Gruppe von Doktoranden und Postdoktoranden. Auszeichnungen wie die Aufnahme in die Liste der Highly Cited Researchers und in die Liste der weltweit zwei Prozent besten Wissenschaftler unterstreichen die Bedeutung der Arbeit. Das Ziel bleibt jedoch praktisch: Geräte zu entwickeln, die unter den Bedingungen Malaysias zuverlässig saubere Kraftstoffe herstellen.

Die verbleibenden Herausforderungen

Künstliche Photosynthese wird die wachsende Produktion von grünem Wasserstoff mithilfe von Elektrolyseuren wahrscheinlich ergänzen, nicht ersetzen. Bis zur breiten Anwendung müssen die Effizienz gesteigert, die Haltbarkeit verbessert, die Kosten für Nebenanlagen gesenkt und sichere Verfahren für den Umgang mit Gasen entwickelt werden. Bei der Umwandlung von CO2 entstehen oft Produktgemische, die getrennt werden müssen. Beim Upcycling von Kunststoff sind eine vorhersehbare Qualität der Ausgangsstoffe und selektive Katalysatoren erforderlich. Der Prototyp für 2026 und das PETRONAS-Projekt werden Daten aus der Praxis liefern, anhand derer sich entscheiden lässt, wo die Technologie am besten zur Energiewende des Landes beitragen kann.

Wichtige Punkte

• Prof. Dr. Ong Wee Jun leitet CONNECT an der Xiamen University Malaysia und forscht zu künstlicher Photosynthese und Nanokatalyse.
• Sein Team arbeitet an der Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser, der Umwandlung von CO2 in Methanol und andere Produkte sowie am photo- oder elektrokatalytischen Upcycling von Kunststoffen.
• Ein PETRONAS-Förderzuschuss von mehr als einer Million RM (August 2024) unterstützt die solarbetriebene Umwandlung von CO2 aus dem Abfackeln an landgestützten Gasterminals.
• Ein Prototyp zur Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff soll bis Mitte 2026 unter den Bedingungen im Freien in Malaysia getestet werden.
• Zu den Forschungsmethoden gehören zweidimensionale Heterostrukturen, Ladungstransport nach dem Z-Schema und Metallkarbide wie MXene.
• Bei Wasserstoffprojekten mit Meerwasser werden Korrosion durch Chlorid und die Selektivität untersucht, um die Bildung von Chlor zu vermeiden.
• Partnerschaften mit der Industrie sowie Dichtefunktionaltheorie und maschinelles Lernen beschleunigen die Entdeckung neuer Katalysatoren.
• Die Arbeit steht im Einklang mit Malaysias Ziel, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, und könnte die Energieversorgung ländlicher Regionen verbessern.