Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Licht zu Wasserstoff

07.10.2015

Eine organische Gerüstverbindung dient als Katalysator, um aus Wasser photolytisch Wasserstoff herzustellen

Der Energiebedarf der Menschheit steigt. Die Ressourcen der klassischen Energieträger sind dagegen endlich. Wasser und Sonnenlicht wiederum gibt es fast unbegrenzt.


Organische Netzwerkverbindungen (COFs) sind in der Lage, Wasserstoff zu produzieren. Das Modell der COF-Struktur ist farbcodiert, blau entspricht Stickstoff, grau Kohlenstoff und weiß Wasserstoff.

© Nature Communications / Macmillan Publishers / CC-BY-4.0

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und von der Ludwig-Maximilians-Universität München haben nun ein Material geschaffen, das mittels Licht aus Wasser den vielseitigen Energieträger Wasserstoff erzeugt. Dieser polymere Photokatalysator ist chemisch robust. Zudem lässt sich die Rate der Wasserstoffproduktion über kleine strukturelle Veränderungen am Katalysator regulieren.

Es ist gar nicht so einfach, einen sogenannten Photokatalysator für die Spaltung von Wasser zu finden. Eine Substanz also, welche die Energie im Sonnenlicht direkt nutzt, um die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen im Wasser aufzubrechen. In Labors gelingt dies bereits mit manchen Substanzen. Aber die Ausbeute ist häufig gering und der Weg in die industrielle Alltagspraxis noch fern.

Die Gruppe Nanochemie von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München hat nun – gemeinsam mit Theoretikern um Christian Ochsenfeld an der LMU – einen weiteren Ansatz entwickelt.

Die Forscher haben dabei sogenannte kovalente organische Netzwerkverbindungen (COFs, covalent organic frameworks) entworfen, die in der Lage sind, Wasserstoff zu produzieren.

COFs sind kristalline, hochmolekulare Polymere, bei denen bestimmte Ausgangsmoleküle zu sehr regelmäßigen, zwei- oder auch dreidimensionalen Strukturen vernetzt werden. Weil solche Netzwerkpolymere neben geeigneten optischen und elektronischen Eigenschaften eine relativ große Oberfläche aufweisen, zeigen sie auch gute katalytische Eigenschaften.

Wichtiger noch ist aber die molekulare Präzision, mit der solche Photokatalysatoren entworfen und optimiert werden können: Damit bilden COFs eine nützliche Plattform, um Materialeigenschaften gezielt variieren und damit den Prozess der Photokatalyse rational steuern zu können.

Elektronen auf Wanderschaft

Photokatalysatoren müssen ganz grundsätzlich über Elektronen verfügen, die sich mit sichtbarem Licht so anregen lassen, dass sie sich relativ frei bewegen und auf ein fremdes Atom oder Molekül übergehen können. Letztlich sind es diese Elektronen, die auf die Protonen im Wassermolekül übertragen werden – und somit elementaren Wasserstoff entstehen lassen.

Die in Stuttgart entwickelten COFs erfüllen all dies. Allerdings mussten die Forscher ihrem pulverförmigen Polymer noch Platin-Nanopartikel und einen sogenannten Elektronen-Donor zusetzen. „Die Platinteilchen wirken als Mikroelektroden, an denen die Elektronen vom COF zum Wasserstoff übergehen“, sagt Vijay Vyas, Wissenschaftler in der Nanochemiegruppe am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.

„Und der Elektronen-Donor ist nötig, um die im COF zurückbleibende positive Ladung wieder auszugleichen“, so Vyas. Die Forscher gaben alle Zutaten in eine wässrige Lösung. Bestrahlten sie die Mixtur mit sichtbarem Licht, setzte die Bildung von Wasserstoff ein.

Für die Wissenschaftler war nicht nur erfreulich, dass die so geformten COFs in der Lage waren, Wasserstoff zu produzieren. Darüber hinaus gelang es ihnen, die Rate, mit der das Material Wasserstoff erzeugt, durch Einstellung der molekularen Geometrie der Netzwerke zu regulieren.

Zu diesem Zweck variierten sie gezielt das Ausgangsmaterial ­– eine Triphenylaryl-Verbindung –, aus dem sie den Katalysator herstellten. „Eine besonders hohe Wasserstoffausbeute erzielten wir, als die Ausgangssubstanz annähernd planar war“, sagt Vyas. Der Befund deckte sich auch mit parallel durchgeführten theoretischen Berechnungen. „Dies ist das erste Mal überhaupt, dass wir die photokatalytischen Eigenschaften eines COFs auf molekularer Ebene präzise einstellen können“, so der Max-Planck-Wissenschaftler.

In Zukunft wollen die Forscher diese Erkenntnisse nutzen, um ihre Substanzen gezielt weiterzuentwickeln. Ein Ziel ist dabei, den Mechanismus der Photokatalyse in diesen Systemen genauer zu verstehen und das komplexe Zusammenspiel der Einzelkomponenten weiter zu verfeinern.

Viele Einsatzmöglichkeiten

Trotz der ersten Erfolge sind auch diese Materialien noch weit davon entfernt, für eine industrielle Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Sonnenlicht infrage zu kommen. Dafür müsste sich das Material beispielsweise kostengünstig in größeren Mengen herstellen lassen und über lange Zeiträume stabil Wasserstoff produzieren. Auch wenn diese und weitere Fragen noch offen sind, kann sich Vijay Vyas auf jeden Fall vorstellen, dass die Menschheit eines Tages in der Lage sein wird, Wasserstoff auf sehr effiziente Art einfach aus Licht, Wasser und einem Kohlenstoff-basierten Material herzustellen.

Dieser umweltfreundlich gewonnene Wasserstoff wäre dann für vieles einsetzbar. Schon heute gibt es Szenarien, ihn als Kraftstoff für Fahrzeuge oder für die Herstellung weiterer Energieträger zu nutzen. In Brennstoffzellen wiederum ließe sich mit Wasserstoff (und Sauerstoff) Strom erzeugen. Und auch der Wasserstoff, der derzeit in der Industrie für die Herstellung vieler wichtiger Chemikalien eingesetzt wird, ließe sich dann umweltfreundlich bereitstellen. Derzeit wird er vor allem aus fossilen Rohstoffen gewonnen.


Ansprechpartner

Bettina V. Lotsch
Chemistry Department, Ludwig-Maximilians-Universität München

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
Telefon: +49 711 689-1610

E-Mail: b.lotsch@fkf.mpg.de


Originalpublikation
Vijay S. Vyas, Frederik Haase et.al.

A tunable azine covalent organic framework platform for visible light-induced hydrogen generation
Nature Communications, 6:8508, DOI: 10.1038/ncomms9508

Quelle

Bettina V. Lotsch | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
Weitere Informationen:
https://www.mpg.de/9675673/photokatalysator-wasserstoffgewinnung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten