Wasserstoff durch Sonnenlicht
Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickeln nachhaltiges Katalysatorsystem, das Wasserstoff durch Lichtenergie erzeugt.
Damit Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht nachhaltig produziert werden kann, braucht es nicht nur ein effizientes Katalysatorsystem – letztendlich muss dieses auch günstig, gut verfügbar und ressourcenschonend sein. Forschende um die Chemikerin Prof. Dr. Kalina Peneva vom Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelten nun ein nachhaltiges Katalysatorsystem, das Wasserstoff durch Lichtenergie erzeugt, meldet die Uni Jena am 13.12.2023. In ihrer Forschungsarbeit entwickelte die Gruppe Farbstoffe, die ohne Metalle auskommen, einfach herzustellen sind und die absorbierte Lichtenergie auf einen Katalysator übertragen, der damit Wasserstoff produziert.
Innovative Farbstoffmoleküle
„Genauer gesagt absorbieren diese Farbstoffmoleküle Licht und wandeln dessen Energie in einen langlebigen angeregten Zustand innerhalb des Moleküls um“, erklärt Peneva. Sie vergleicht diesen Vorgang mit der Fluoreszenz, wie man sie von Gegenständen oder Kleidungsstücken kennt, die unter Schwarzlicht hell leuchten. „Allerdings geben unsere Farbstoffe die Energie nicht wieder als Licht ab“, schränkt sie ein. „Stattdessen nutzen wir diese gespeicherte Energie, indem sie auf einen darauf abgestimmten Katalysator übertragen wird. Dieser erzeugt dann Wasserstoff aus Wasser.“
Kostengünstige und umweltschonende Katalysatoren
Katalysatorsysteme, die mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen, werden schon seit vielen Jahren entwickelt und erforscht, so auch im Sonderforschungsbereich CataLight en der Deutschen Forschungsgemeinschaft, zu dem auch das Projekt von Kalina Peneva gehört. „Das Besondere an unseren Farbstoff-Molekülen ist aber, dass sie ohne Metalle auskommen. Denn oftmals kommt in diesen Farbstoffen Ruthenium oder Osmium zum Einsatz – also Metalle, die rar und teuer sind. Und auch der von uns verwendete Katalysator nutzt anstelle von teuren Edelmetallen wie Platin oder Palladium deutlich günstigeres Kobalt“, erklärt Peneva.
Effizienz durch vereinfachte Synthese
Aber auch die Herstellung dieser nachhaltigen Farbstoffe ist vielversprechend: „Was wir entwickelt haben, ist auch deshalb einzigartig, weil es eine einfache und effiziente Synthesemethode für diese Moleküle gibt, was die Skalierbarkeit des Prozesses enorm verbessert“, fügt die Chemikerin hinzu. „Wir bilden den Farbstoff durch eine einfache sogenannte Kondensationsreaktion. Und da der Farbstoff als Feststoff ausfällt, können wir ihn einfach durch Filtration aus dem Reaktionsgemisch abtrennen“, ergänzt sie. „Damit braucht es im Gegensatz zu vielen anderen Synthese-Ansätzen keine teuren und aufwändigen Reinigungsschritte für das gewünschte Produkt.“
Interdisziplinäre Zusammenarbeit
Das Forschungsteam arbeitete innerhalb der Universität Jena eng mit der Gruppe von Benjamin Dietzek-Ivanši? vom Institut für Physikalische Chemie zusammen und untersuchte systematisch verschiedene Varianten des Farbstoffs, um die optimale Konfiguration für die lichtgetriebene Katalyse zu finden. „Wir haben nicht nur die Farbstoffe entwickelt, sondern auch deren Wechselwirkung mit dem Katalysator im Detail untersucht“, erklärt Prof. Peneva.
Die Ergebnisse, die das Team im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlichte, sind vielversprechend: „Obwohl wir nicht die höchste Effizienz erreicht haben, sind die Ergebnisse sehr gut und zeigen vor allem ein großes Potenzial für praktische Anwendungen“, stellt sie heraus. „Konkret machen wir das an der Turnover-Number, kurz: TON, fest. Diese Kennzahl gibt an, welche Menge an Wasser durch eine bestimmte Menge des Katalysators umgewandelt werden kann, bevor dieser seine Aktivität verliert. Und die Kennzahl ist mit circa 4.000 auf einem guten Wert“, ergänzt sie.
Sie und ihr Team überlegen bereits, nun den Forschungstransfer mit möglichen Industriepartnern anzugehen. „Ob es dazu kommt, dass wir dieses Katalysatorsystem im industriellen Maßstab herzustellen versuchen, kann ich zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht sagen“, schränkt Kalina Peneva ein. „Aber es ist auf jeden Fall eine Überlegung, die wir anstellen.“
- Originalpublikation: Gergely Knorr, Konrad Hotzel, Avinash Chettri, Artem Skabeev, Maria Wächtler Benjamin Dietzek-Ivanšic, Kalina Peneva, “Unlocking the potential of ketocoumarins: efficient photosensitizers for sustainable light driven hydrogen evolution”, J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 23260–23269, DOI: 10.1039/D3TA04450E
