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 Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher
28.03.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Demenz: Forscher testen Wirkstoffe im Hochdurchsatz

28.03.2017 | Medizin Gesundheit

Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

28.03.2017 | Medizintechnik

Elektrische Spannung: Kaiserslauterer Ingenieure erforschen Versagen bei Kugellagern

28.03.2017 | Maschinenbau