Licht fällt auf ein Material. Und plötzlich entsteht chemische Energie – etwa in Form von Wasserstoff oder anderen energiereichen Stoffen. Klingt wie Magie, ist aber Wissenschaft. Forschende aus Sachsen sind ihr ein großes Stück nähergekommen.
Photokatalyse nennt sich dieser Prozess. Manche Materialien können Sonnenlicht einfangen und diese Energie nutzen, um chemische Reaktionen anzustoßen. Wie ein Turbo für die Chemie, angetrieben von der Sonne. So ließe sich etwa Wasser in Wasserstoff spalten, ein sauberer Energieträger. Oder CO₂ in nützliche Grundstoffe verwandeln. Auch die Herstellung wichtiger Chemikalien wie Wasserstoffperoxid könnte so nachhaltiger werden.
Ein Team unter Leitung des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun einen wichtigen Schritt gemacht. Die Forschenden in Görlitz haben eine verlässliche Rechenmethode entwickelt, um eine vielversprechende Gruppe von Materialien besser zu verstehen, die sogenannten Polyheptazin-Imide. Das sind hauchdünne, schichtartige Verbindungen aus der Familie der Kohlenstoffnitride, also Materialien aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Sie sind günstig herzustellen, ungiftig und hitzebeständig. Vor allem aber reagieren sie auf sichtbares Licht.
Rechnen statt raten
Hier kommt die neue Methode ins Spiel. Das Team entwickelte ein computergestütztes Verfahren, das präzise vorhersagt, wie ein Material auf Licht reagiert. Entscheidend dabei ist, dass es nicht nur den Ruhestand eines Materials berücksichtigt, sondern auch angeregte Zustände. Also genau jene Momente, in denen das Licht auftrifft und Elektronen in Bewegung geraten.
Insgesamt analysierten die Wissenschaftler 53 verschiedene Metallionen und untersuchten, wie sie die Struktur und die elektronischen Eigenschaften des Materials verändern. Anschließend stellten sie acht davon tatsächlich im Labor her und testeten sie unter anderem für photokatalytische Reaktionen. Das Ergebnis war eindeutig: Die Berechnungen stimmten mit den Experimenten überein. "Sollten Zweifel bestanden haben, dass Polyheptazin-Imide zu den vielversprechendsten Plattformen für Photokatalyse-Technologien der nächsten Generation gehören, so hat diese Arbeit sie ausgeräumt", zieht Kühne ein klares Fazit.
Für die Energiewende könnte das bedeutend sein. Wer Sonnenlicht direkt in Treibstoff oder andere chemische Energieträger verwandeln kann, braucht weder riesige Batterien noch aufwendige Umwege. Die Natur macht es mit der Photosynthese vor. Die Wissenschaft arbeitet daran, es nachzubauen.
Originalpublikation:
Z. Hajiahmadi, A. L. Presti, S. Shahab Naghavi, M. Antonietti, C. M. Pelicano, T. D. Kühne: Theory-Guided Discovery of Ion-Exchanged Poly(heptazine imide) Photocatalysts Using First-Principles Many-Body Perturbation Theory, Journal of the American Chemical Society, 2026
