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Wasserstoffspaltung durch Frustration

25.09.2008
Mithilfe von Katalysatoren können Chemiker Wasserstoff aktivieren, so dass dieser für verschiedenste Reaktionen genutzt werden kann. Dazu kommen in der Regel teure Katalysatoren aus Edelmetall zum Einsatz.

Beim 11. Norddeutschen Doktorandenkolloquium der Anorganischen Chemie auf der Burg Warburg am Elm präsentiert unter anderem Dirk Holschumacher, Technische Universität Braunschweig, Methoden, die konventionellen Katalysatoren durch günstigere zu ersetzen. Organisiert wird das Kolloquium vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der TU Braunschweig unter der Leitung von Prof. Matthias Tamm.

Kein chemisches Element gibt es im Universum häufiger als Wasserstoff. Auf der Erde kommt er als farb- und geruchloses Gas H2 und in unzähligen Verbindungen vor, vor allem im Wasser, der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff. Er steckt in jedem Lebewesen, in Mineralien, Erdöl und vielen natürlichen Gasen. Die so genannte "Knallgasreaktion", bei der Wasserstoff und Sauerstoff explosionsartig zu Wasser werden, zeigt das Potenzial von Wasserstoff als Energieträger, das sich Brennstoffzellen zunutze machen.

Prof. Tamm und Dirk Holschumacher haben jetzt ein Verfahren erforscht, das Wasserstoff ohne Hilfe von Metallen aktivieren, also für chemische Reaktionen nutzbar machen kann. Es öffnet die Türen dafür, dass in Zukunft viele chemische Produkte kostengünstiger und nachhaltiger hergestellt werden können. Das macht diese Entwicklung für die Chemische Industrie ebenso interessant wie für die Grundlagenforschung: Denn Wasserstoff ist an vielen industriellen Prozessen beteiligt, zum Beispiel bei der Herstellung von Feinchemikalien und pharmazeutischen Produkten oder bei der Härtung von Fetten wie Margarine.

Die Entwicklung des Teams um Prof. Tamm beruht auf der Wechselwirkung zwischen Säuren und Basen. So genannte Lewis-Säuren und Lewis-Basen üben aufeinander eine starke Anziehungskraft aus: Lewis-Basen geben dabei Elektronenpaare ab, die von Lewis-Säuren angelagert werden. Beide gehen sehr stabile Verbindungen miteinander ein. "Für manche Säure-Base-Kombinationen ist allerdings eine solche Bindung aufgrund ihrer Größe und Bauweise unmöglich - die Paare können dann nicht aneinander 'andocken'," erläutert Prof. Tamm. "Ein solches System nennt man 'frustriertes' Lewis-Paar. Ein Wasserstoffmolekül, das in diese spannungsgeladene Umgebung eingebracht wird, wird automatisch gespalten und damit aktiviert."

Bei ihren Versuchen haben die Forscher zudem nachgewiesen, dass die verwendeten Lewis-Säuren und -Basen nur etwa zwei Stunden lang in frustriertem Zustand bleiben - danach sind die Fehler in der Bauweise ausgeglichen und die Frustration wird aufgehoben. Wasserstoff, der dann in die Lösung eingebracht wird, bleibt unbeeinflusst. Die Illustration dieses Frustrationsabbaus war der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie in ihrer jüngsten Ausgabe das Titelblatt wert, mit dem auf die Arbeit der Arbeitsgruppe Tamm und auf eine ähnliche Arbeit des kanadischen Wissenschaftlers Prof. Douglas W. Stephan von der University of Toronto, Kananda, hingewiesen wird, welcher auf diesem Gebiet in der Vergangenheit maßgebliche Pionierarbeiten geleistet hat.

Insgesamt 120 Nachwuchsforscherinnen und -forscher aus Norddeutschland werden dieses und weitere Forschungsergebnisse im Rahmen des 11. Norddeutschen Doktorandenkolloquiums der Anorganischen Chemie vom 25. bis zum 26. September 2008 auf Burg Warberg am Elm diskutieren.

Quelle: D. Holschumacher, T. Bannenberg, C. G. Hrib, P. G. Jones, M. Tamm, "Heterolytic H2 Activation by a Frustrated Carbene-Borane Lewis Pair" Angew. Chem. 2008, 120, 7538-7542; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7428-7432.

Kontakt
Prof. Dr. Matthias Tamm
Technische Universität Braunschweig
Institut für Anorganische und Analytische Chemie
Hagenring 30
38106 Braunschweig
Tel.: 0531/3915309
E-Mail: m.tamm@tu-braunschweig.de

Ulrike Rolf | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-braunschweig.de/anchem/tamm

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