Solare Katalyse von Wasserstoff Wasserstoff aus Sonnenlicht: Die Jungbrunnen-Reaktion der Solar-Katalysatoren

Von Dominik Stephan

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Aus Licht mach Energie und Wasserstoff: Was in der Natur klappt, müsste doch auch technisch gehen. Wenn da nicht der Katalysator wäre... Forscherinnen und Forscher aus Jena und Ulm wollen eines der drängendsten Probleme der solaren Energiewandlung gelöst haben: In Anlehnung an die natürliche Photosynthese ist es ihnen gelungen, einen molekularen Photokatalysator zu reparieren. Der Reparaturprozess ermöglicht die Reaktivierung des katalytischen Systems, sodass die lichtgetriebene Wasserstoffbildung viele Male mit ein und demselben Molekül erfolgen kann.

Gelingt hier die Wasserstoffsynthese direkt aus Sonnenlicht und ohne den Umweg über die Elektrolyse?
Gelingt hier die Wasserstoffsynthese direkt aus Sonnenlicht und ohne den Umweg über die Elektrolyse?
(Bild: Elvira Eberhardt/Uni Ulm)

Von der Natur lernen: Die Photosynthese wäre das ideale Vorbild für die Wandlung und Speicherung von Energie aus Sonnenlicht. Doch was jedes Blatt in der Natur scheinbar mit Leichtigkeit schafft, ist im Labor alles andere als einfach. Zwar gibt es Versuche, Sonnenlicht nicht zur Stromerzeugung sondern direkt photokatalytisch zur Stoffumwandlung zu nutzen, doch haben diese eine Achillesferse: Die begrenzte Lebensdauer der Katalysatoren. Chemiker und Chemikerinnen aus Ulm und Jena haben sich von der Natur einen chemischen „Heilungsprozess“ abgeschaut, mit dem sich diese Photokatalysatoren immer wieder regenerieren könnten. Dieser molekulare Reparaturmechanismus sorgt dafür, dass sich die Katalysatoren für die lichtgetriebene Wasserstoffbildung sozusagen selbst in Stand setzen können.

Dieser Vorgang, der aus der Pflanzenwelt bekannt ist, konnte jetzt auch im Labor reproduziert werden, wie das Team um den Ulmer Chemiker Professor Sven Rau und den Jenaer Photophysiker Professor Benjamin Dietzek-Ivanšić gezeigt haben. Damit scheint der Traum von der photo-katalytischen Verfahrenstechnik – etwa zur direkten Gewinnung von Wasserstoff – ohne Umweg über die Erzeugung einer Hilfsenergie greifbar nahe. Und das Beste: Die chemischen Prozesse zur Regeneration des Photokatalysators sind verblüffend einfach.

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Ewiges Leben für den Kat: Den Forschungsteams der Universität Ulm, des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit Kollegen aus Kanada und Irland gelungen, diesen „Wiederbelebungsprozess“ erstmals in einem künstlichen System zu zeigen (Veröffentlicht wurde diese Arbeit in„Nature Chemistry“). Dabei konnten verschiedene chemische Prozesse genutzt werden, um die nach dem Durchlaufen der Katalyse eigentlich nicht mehr funktionsfähigen Katalysatoren zu reaktivieren.

Auf diese Weise, hoffen die Beteiligten, könnte ein Molekül genutzt werden, dass Sonnenlicht absorbieren und dabei Wasserstoff produzieren kann. Bisher ging diese katalytische Aktivität nach einer gewissen Zeit verloren – Jetzt könnte, nach einer gezielten "Reparatur" die lichtgetriebene Wasserstoffbildung erneut in Gang kommen.

Die Jungbrunnen-Reaktion: De- und Reaktivierungskreislauf eines Photokatalysator-Moleküls. Der „verbrauchte“ bzw. inaktive Photokatalysator wird durch molekulare Reparaturmechanismen reaktiviert.
Die Jungbrunnen-Reaktion: De- und Reaktivierungskreislauf eines Photokatalysator-Moleküls. Der „verbrauchte“ bzw. inaktive Photokatalysator wird durch molekulare Reparaturmechanismen reaktiviert.
(Bild: Jannik Brückmann und Lydia Petermann / Uni Ulm)

„Wir können diesen molekularen Reparaturprozess, der lediglich Licht und Luftsauerstoff braucht, mehrfach durchführen und damit die katalytische Leistung pro Molekül um ein Vielfaches steigern“, erklärt Professor Sven Rau vom Institut für Anorganische Chemie I der Universität Ulm. Anstatt Photokatalysatoren komplett zu entsorgen und deshalb ständig zusätzliche Materialien für die lichtgetriebene Wasserstoffbildung herstellen zu müssen, können Komponenten, die während der Katalyse beschädigt wurden, kosteneffizient repariert und ökologisch sinnvoll wiederverwendet werden.

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Dank detaillierter struktureller und photophysikalischer Untersuchungen waren die Forscher in der Lage, die Struktur des beschädigten Photokatalysatormoleküls aufzuklären und den Deaktivierungsmechanismus auf molekularer Ebene zu verstehen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen gelang es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, mit gezielten chemischen Reaktionen den Verlust der Katalysefähigkeit des Systems umzukehren. Der Photokatalysator wurde so in seinen Ursprungszustand zurückversetzt und sozusagen wiederbelebt.

Die Forscherinnen und Forscher sind davon überzeugt, dass dieser molekulare Reparaturmechanismus von enormer Bedeutung ist: Einerseits verlängert er den Zeitraum, über den die lichtgetriebene Wasserstoffentwicklung produktiv ablaufen kann, andererseits ist er auf weitere Klassen an Photokatalysatoren übertragbar, also vielfältig einsetzbar. ●

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