Wasserstoff ist aufgrund seiner hohen Energiedichte ein hervorragender Energiespeicher, und Fahrzeuge mit verbauten Brennstoffzellen gelten als ernstzunehmende Alternative zu batteriebetriebenen Autos. Zwar ist das einzige Nebenprodukt der Brennstoffzelle Wasser, doch bei der Wasserstoff-Herstellung entstehen womöglich Treibhausgase. Eine umweltschonende Alternative ist die photokatalytische Wasserspaltung. Für den massenhaften Einsatz muss dieses Verfahren allerdings noch stark verbessert werden. In der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ stellen Forscher aus Ulm, München und Kaiserslautern eine effiziente Methode zur Charakterisierung wasserspaltender Katalysatoren vor.
Wasserstoff hat das Zeug zum Energieträger der Zukunft: Allein bis 2019 stellt beispielsweise die Bundesregierung eine 250 Mio. EUR zur Verfügung, um Wasserstoffautos massentauglich zu machen. Denn: Was Reichweite und Betankungsdauer angeht, können diese Fahrzeuge durchaus mit Benzinern konkurrieren.
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.
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
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.
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.
Weitere Informationen: Prof. Dr. Sven Rau, Tel.: 0731-5023900, sven.rau@uni-ulm.de
Literatur: 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
