Einzelmolekülkatalysator produziert solaren Brennstoff auch bei Dunkelheit

Wasserstoff (H2) soll eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen – so will es die 2020 auf den Weg gebrachte nationale Wasserstoffstrategie. Um jedoch einen signifikanten Beitrag auf dem Weg zur Klimaneutralität zu leisten, muss dieser Energieträger „grün“ sein – also ausschließlich mit erneuerbaren Energien hergestellt. Doch wie lässt sich zum Beispiel solarer Wasserstoff bedarfsgerecht abends oder im Winter produzieren?

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Ein Ulm-Jenaer Forschungsteam hat eine Antwort gefunden: Erstmals ist es ihm mit einem molekularen photochemischen System gelungen, die sonnenlichtgetriebene Wasserstoffherstellung vom Tagesverlauf zu entkoppeln. Das neue System macht sogar die Lichtenergie-Speicherung möglich, so dass die Wasserstoffproduktion nachfrageorientiert und auch bei Dunkelheit starten kann.

Alternative basiert auf einem einzigen Molekül

Frühere Modelle zur Wasserstoffherstellung beruhen oftmals auf der Kopplung mehrerer Komponenten wie Photovoltaik-Zellen, Batterien und Elektrolyseuren. Dabei summieren sich die Energieverluste jedoch bei jedem Schritt, die Wasserstoffproduktion ist wenig effizient. Im Gegensatz dazu basiert die neue Alternative auf einem einzigen Molekül, das Sonnenlicht aufnehmen, Energie speichern und Wasserstoff herstellen kann. In dieser kompakten Einheit wird also die räumliche und zeitliche Trennung dieser Schritte möglich. „Lichteinstrahlung führt in unserem Molekül zur Ladungs-Trennung und Elektronen-Speicherung – im Ergebnis entsteht ein flüssiger, leicht speicherbarer Treibstoff. Die bedarfsgerechte Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffs wird durch die Zugabe einer Protonen-Quelle erreicht“, erklärt Prof. Dr. Carsten Streb von der Universität Ulm.

Jenaer Hightech-Gerät ermöglicht die grundlegenden Analysen

Die Forschenden haben die Leistungsfähigkeit ihres Systems mit verschiedenen Analysemethoden überprüft (u. a. Katalysetests und Photophysikalische Studien). Diese wichtigen Strukturanalysen und optisch-spektroskopischen Arbeiten, die die Antwort des Katalysators auf Licht beschreiben, wurden am Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) der Universität Jena durchgeführt. Dabei kam unter anderem ein Hightech-Gerät zur hochauflösenden Massenspektrometrie zum Einsatz, das durch EU-Mittel im Rahmen der regionalen Innovationsstrategie des Freistaates Thüringen angeschafft werden konnte. Erst mit diesem Gerät war es möglich, die Strukturen der neuen molekularen Katalysatoren im Detail zu bestimmen, betonen die Jenaer Wissenschaftler Prof. Dr. Ulrich S. Schubert und Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić.

Das bei diesen Forschungen eingesetzte hochauflösende Massenspektrometer (MALDI-ToF-MS) im CEEC Jena. (Foto: Nicole Fritz/Universität Jena)
Das bei diesen Forschungen eingesetzte hochauflösende Massenspektrometer (MALDI-ToF-MS) im CEEC Jena.
(Foto: Nicole Fritz/Universität Jena)

Im Ergebnis der Analysen zeigt die molekulare Einheit eine exzellente chemische und photochemische Stabilität. „Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht chemische Veränderungen und eine Optimierung des Gesamtsystems“, erklärt Erstautor Dr. Sebastian Amthor, der inzwischen in Spanien forscht. In Zukunft soll das Modell hochskaliert werden und somit als „Blaupause“ für dezentrale Energiespeicher dienen. Anwendungsmöglichkeiten reichen von der klimafreundlichen Strom- und Wärmeerzeugung bis zu mobilen, solarbetriebenen H2-Tankstellen für LKW und Busse.

Entwickelt wurde das photochemische System im Zuge des Transregio-Sonderforschungsbereichs TRR 234 CataLight. In dem mit zehn Millionen Euro geförderten Verbundprojekt nehmen sich Forschende der Universitäten Ulm und Jena die Photosynthese zum Vorbild und entwickeln neue Materialien für die Energiewandlung – ein Beispiel sind künstliche Chloroplasten für die Wasserstoffherstellung. Der Sonderforschungsbereich wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert.

Original-Publikation:

Sebastian Amthor, Sebastian Knoll, Magdalena Heiland, Linda Zedler, Chunyu Li, Djawed Nauroozi, Willi Tobaschus, Alexander K. Mengele, Montaha Anjass, Ulrich S. Schubert, Benjamin Dietzek-Ivanšić, Sven Rau, Carsten Streb: A single molecule capable of decoupling light- and dark reactions for on-demand solar hydrogen production. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-021-00850-8

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00850-8

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Info, Axel Burchardt // UNI Jena 
Fotografik: Nicole Fritz // UNI Jena