Wasserstoffherstellung Wasserspaltung durch Sonnenenergie – Photokatalysatoren schneller auf der Spur

Dass Experten dem Wasserstoff einhellig das Zeug zum Energieträger der Zukunft zusprechen, ist kein Geheimnis. Über das „Wie“ wird allerdings noch diskutiert. Eine Alternative zur Brennstoffzelle ist die photokatalytische Wasserspaltung. Forscher haben jetzt eine effiziente Methode zur Charakterisierung wasserspaltender Katalysatoren vorgestellt.

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Ulm – Zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff durch Photokatalyse forscht eine interdisziplinäre Gruppe um Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm. Bei dieser Form der künstlichen Photosynthese wird Wasser mithilfe von Sonnenenergie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt: Ein spezieller Metallkomplex – im verwendeten Modell aus Ruthenium – dient als Lichtfänger. Das Ruthenium gibt daraufhin ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum aus Platin oder Palladium springt. An diesem Zentrum wird dann Wasserstoff hergestellt. Für die massenhafte technische Nutzung sind bisherige Photokatalysatoren jedoch nicht aktiv genug.

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Bei den Kollegen der Technischen Universität Kaiserslautern hat die Ulmer Forschergruppe ein Verfahren genutzt, das die Charakterisierung von wasserspaltenden Photokatalysatoren um ein Vielfaches beschleunigt und vereinfacht. Unterstützung in der Theorie erhielten die Forschungsgruppen dabei von Dr. Maxim Gelin von der TU München, der wichtige Simulationen zur Interpretation der experimentellen Daten beitrug.

„Früher hat eine Reihe solcher Untersuchungen bis zu zehn Jahre gedauert. Jetzt können wir innerhalb von Tagen wichtige Eigenschaften eines Photokatalysators bestimmen, und so auch Hinweise auf Optimierungspotentiale erhalten“, erklärt Professor Sven Rau. Herzstück des Versuchsaufbaus ist eine Ionenfalle in einem so genannten Massenspektrometer. „In der Gasphase werden die Katalysatormoleküle auf einer Kreisbahn gehalten und stetig mit energiereichen und ultrakurzen Laserpulsen beschossen, wobei die Moleküle einzelne Bestandteile verlieren. Dadurch lässt sich das Springen der Elektronen verfolgen und wir gewinnen gleichzeitig Informationen zur Stabilität des Photokatalysators“, erklären Rau und PD Dr. Christoph Riehn von der TU Kaiserslautern, die das Verfahren mit „Star Wars im Reagenzglas“ vergleichen.

Anhand der untersuchten Modell-Photokatalysatoren konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die aus der Lösung bekannte Stabilität auch in der Gasphase existiert. Dafür haben sie in den letzten zehn Jahren gewonnene Daten mit den aktuellen Ergebnissen abgeglichen. Zudem fanden sich Hinweise auf ein ultraschnelles Springen von Elektronen von dem photochemischen Triebwerk, in diesem Fall ein Rutheniumkomplex, zum katalytischen Reaktionszentrum, einem Platinkomplex. Somit konnte die Forschergruppe die Funktionalität des neuen Verfahrens anhand detailliert untersuchter Modellkatalysatoren nachweisen.

Bagger statt Schäufelchen

Prof. Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I, Uni Ulm

Die Vorteile sind zahlreich: Der Materialaufwand ist ebenso geringer wie der Anspruch an die Reinheit der Katalysatoren. Zudem lassen sich sehr viele Eigenschaften in einem Schritt bestimmen. „Die Entwicklung neuer molekularer Energiematerialien wird in Zukunft schneller und effizienter werden. Bisher haben wir mit einem Schäufelchen gearbeitet, jetzt besitzen wir einen Bagger“, erläutert Rau, dessen Institut unzählige Katalysatoren hergestellt und charakterisiert hat.

Die Arbeitsgruppe um PD Dr. Christoph Riehn, darunter Doktorand Dimitri Imanbaew, vom Fachbereich Chemie der TU Kaiserslautern hat die physikalische Methode zur Verfügung gestellt. Sie besteht aus einer Kombination von Massenspektrometrie und Femtosekunden-Laserspektroskopie. Entwickelt haben die Kaiserslauterer Physikochemiker dieses Verfahren im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 88 („Kooperative Effekte in homo- und heterometallischen Komplexen“, 3MET).

Als nächsten Schritt wollen die Chemiker alternative, weniger seltene Materialien für das Photoreaktionszentrum finden. Derzeit ist Eisen ein vielversprechender Kandidat. Zudem funktioniert die Wasseroxidation noch nicht. „Bis wir umweltfreundlichen Wasserstoff als Massenprodukt auf diese Weise herstellen können, wird es noch Jahrzehnte dauern. Doch schon jetzt beschleunigt unser neues Verfahren die Suche nach alternativen Energiequellen“, resümiert Rau.

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Die Forscher aus Ulm, München und Kaiserslautern wurden vor allem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie den Universitäten Ulm und Kaiserslautern unterstützt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ vorgestellt:

Imanbaew D, Lang J, Gelin MF, Kaufhold S, Pfeffer MG, Rau S, Riehn C: Pump-Probe Fragmentation Action Spectroscopy: A Powerful Tool to Unravel Light-Induced Processes in Molecular Photocatalysts; Angewandte Chemie International Edition, 01 March 2017, doi: 10.1002/anie.201612302

* Die Autorin arbeitet in der Pressestelle der Universität Ulm.

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