Biophotovoltaik DOI: 10.1002/ange.201303671 Die Kombination einer auf Photosystem 1 basierenden Photokathode und einer auf Photosystem 2 basierenden Photoanode zu einem Z-Schema-Analogon für biophotovoltaische Anwendungen** Tim Kothe, Nicolas PlumerØ, Adrian Badura, Marc M. Nowaczyk, Dmitrii A. Guschin, Matthias Rçgner* und Wolfgang Schuhmann* Die photosynthetische Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie folgt einem Z-Schema, das auf zwei se- quentiellen photoinduzierten Ladungstransferschritten ba- siert (Abbildung 1A). Zuerst erfolgt Wasserspaltung durch Photosystem 2 (PS2), wobei die angeregten Elektronen über eine Elektronentransportkette transferiert werden, sodass ein chemiosmotisches Potential generiert wird, das die Energie für die ATP-Synthese liefert. Photosystem 1 (PS1) transferiert nach Lichtabsorption und Ladungstrennung Elektronen über Ferredoxin zur Ferredoxin-NADP + -Oxidoreduktase für die Produktion von NADPH. Die Ladungstrennungsprozesse des Z-Schemas inspirierten die Entwicklung von Photosynthese- analogen Systemen auf Basis organischer oder anorganischer Photosensibilisatoren, um Sonnenenergie in chemische Energie zu wandeln. [1] Die Verbesserung der Lichtsammel- ausbeute der photosynthetischen Proteine kann weiter die Effizienz der solaren zur chemischen Energiewandlung in halb-artifiziellen Systemen steigern. Eine Vielzahl photobio- elektrochemischer Halbzellen entweder basierend auf PS1 [2–4] oder PS2 [5–7] wurden vorgeschlagen. Allerdings konnte bis heute die autonome Wandlung von solarer in chemische Energie nicht demonstriert werden. Die von PS2 bereitge- stellten Elektronen haben eine zu geringe Energie, und auf PS1 basierende Systeme bençtigen für die Wandlung solarer in chemische Energie entweder sakrifizielle Elektronen- donoren [4] oder ein von außen angelegtes Potential. [2] Diese Limitierungen kçnnen mçglicherweise durch die serielle Kopplung beider Lichtanregungsprozesse von PS1 und PS2 in einem halb-artifiziellen Aufbau (Abbildung 1B) überwunden werden. Hier stellen wir einen ersten experimentellen Aufbau vor, um PS2 und PS1 seriell zu koppeln. Wir legen den Schwer- punkt auf die Erzeugung elektrischer Energie aus der Po- tentialdifferenz zwischen der Akzeptorseite von PS2 und der Donorseite von PS1 (Abbildung 1B), d.h. auf den Teil, der zur ATP-Synthese im Z-Schema der natürlichen Photosyn- these beiträgt. Allerdings ist unsere photobioelektrochemi- sche Zelle so aufgebaut, dass eine Erweiterung des Prinzips auf die simultane Erzeugung elektrischer und chemischer Energie (vollständiges Analogon des Z-Schemas) prinzipiell mçglich ist. Abbildung 1. Elektronentransferpfade im Z-Schema der natürlichen Photosynthese (A) und im vorgeschlagenen gekoppelten halb-artifiziel- len PS2/PS1-Schema (B): Alle Potentiale sind gegen die Standardwas- serstoffelektrode (SHE) in Volt angegeben (die Werte für das natürli- che Z-Schema sind aus Lit. [2, 6, 9, 11]). Große rote Pfeile symbolisieren die lichtinduzierte Ladungstrennung in PS2 und PS1. [*] T. Kothe, A. Badura, Dr. M. M. Nowaczyk, Prof. Dr. M. Rçgner Lehrstuhl für Pflanzenbiochemie, Ruhr-Universität Bochum Universitätsstraße 150, 44780 Bochum (Deutschland) E-Mail: matthias.roegner@rub.de Dr. N. PlumerØ, Dr. D. A. Guschin, Prof. Dr. W. Schuhmann Analytische Chemie – Elektroanalytik & Sensorik und Center for Electrochemical Sciences – CES, Ruhr-Universität Bochum Universitätsstraße 150, 44780 Bochum (Deutschland) E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de [**] Diese Arbeit wurde durch die EU und das Land NRW im Rahmen des HighTech NRW-Programms (N.P. und W.S.), durch das Bun- desministerium für Bildung und Forschung, BMBF (M.R.), durch den Exzellenzcluster RESOLV (EXC 1069, DFG; M.N., M.R., N.P. und W.S.) sowie durch die COST Aktion TD1102 Phototech (M.R., N.P. und W.S.) gefçrdert. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.201303671 zu finden.  2013 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Dieser Open Access Beitrag steht unter den Bedingun- gen der Creative Commons Attribution Non-Commercial Lizenz, die eine Nutzung, Verbreitung und Vervielfältigung in allen Medien gestattet, sofern der ursprüngliche Beitrag ordnungsgemäß zitiert und nicht für kommerzielle Zwecke genutzt wird. 14483 Angew. Chem. 2013, 125, 14483 –14486  2013 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim