Wasserstoff durch Sonnenlicht

Prof. Dr. Kalina Peneva und Doktorand Konrad Hotzel untersuchen funktionale Farbstoffe.
Foto: Anne Günther/Uni Jena

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. Ein Schritt in diese Richtung ist nun einem Team um die Chemikerin Prof. Dr. Kalina Peneva vom Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Universität Jena gelungen. 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 vergleich 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“ 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 für 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-Ivanšić 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 Fachmagazin „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 das an der Turnover-Number, kurz: TON, fest; einer wichtigen Kennzahl für die Leistungsfähigkeit von Katalysatoren. Und die 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, wie wir anstellen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Kalina Peneva
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (IOMC) der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Lessingstraße 8
07743 Jena
Tel.: 03641 / 948790
E-Mail: kalina.peneva@uni-jena.de

Originalpublikation:

Gergely Knorr, Konrad Hotzel, Avinash Chettri, Artem Skabeev, Maria Wächtler Benjamin Dietzek-Ivanšić, Kalina Peneva, “Unlocking the potential of ketocoumarins: efficient photosensitizers for sustainable light driven hydrogen evolution”, J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 23260–23269, https://doi.org/10.1039/D3TA04450E

https://www.uni-jena.de/231213-peneva

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Dr. Marco Körner Abteilung Hochschulkommunikation/Bereich Presse und Information
Friedrich-Schiller-Universität Jena

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