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 Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

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: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics