Photokatalysatoren auf Basis verfügbarer Metalle: Nachhaltige Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Bauer; Professor Dr. Karsten Heyne
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490942819

Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, muss der menschliche Kohlenstoff-Fußabdruck auf ein Minimum reduziert werden. Dieses unglaublich herausfordernde Ziel impliziert die Nutzung nachhaltiger Energie- und Rohstoffquellen, die in den letzten Jahren stark in den Fokus der Forschung gerückt sind. In diesem Zusammenhang haben Brennstoffzellen wieder Hochkonjunktur, vor allem im Bereich der Langstrecken-Automobilität. Allerdings ist die nachhaltige und effiziente Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff noch eine offene Frage und bleibt ein großes, langfristiges Unterfangen. Tatsächlich wird der meiste Wasserstoff aus fossilen Ressourcen wie Erdgas oder Kohle hergestellt, aber auch durch Wasserelektrolyse, die nicht-erneuerbaren Strom verbraucht. Es besteht daher ein dringender Bedarf an der Erzeugung von nachhaltigem Wasserstoff. Um dieses Problem anzugehen, bietet die photochemische Wasserspaltung eine geeignete Methode. So könnte das intermittierende Sonnenlicht leicht in chemische Energieträger umgewandelt werden, um sie zu speichern, zu transportieren und schließlich zu nutzen. Noch wichtiger ist, dass die Verbindung des Wasserspaltungsprozesses mit dem einer Brennstoffzelle, bei der nur Wasser produziert wird, das wieder in das Wasserspaltungsschema eingespeist würde, zweifellos ein wirklich nachhaltiger Prozess ist. Im Projekt SunHy zielen wir darauf ab, effiziente, kostengünstige photoaktive Systeme für die photokatalytische Protonenreduktion zu entwickeln, indem wir den Ansatz der Natur in Blättern nachahmen. Wir schlagen vor, Lösungen zu entwickeln, die auf metallorganischen Photosystemen basieren, die nur hoch-verfügbare Elemente wie Eisen und Kobalt für die Lichtsammlung bzw. Redoxkatalyse enthalten. Während die bemerkenswerten katalytischen Eigenschaften von Kobalt für die Wasserstofferzeugung seit langem nachgewiesen sind, waren effiziente Eisen-Photosensibilisatoren bis vor kurzem schwer zu finden. Darüber hinaus sind Baugruppen, die unedle Metalle tragen, bisher kaum beschrieben worden, und ihr photophysikalisches und photochemisches Verhalten ist praktisch unbekannt. Um dies zu ändern vereint das Konsortium des SunHy-Projekts anerkannte Expertise in chemischem Design, Synthese und Spektroskopie. Basierend auf den kürzlich erzielten Durchbrüchen von Fe(II)- und Fe(III)-Komplexen mit verlängerten Lebensdauern im angeregten Zustand bis in den ns-Bereich sollen neuartige Fe/Co-Dayden und -Triaden hergestellt werden. Darüber hinaus wird der intensiver Einsatz ultraschneller Spektroskopie, die den mittleren IR- bis hin zum Röntgenbereich abdeckt, es nicht nur ermöglichen, das Funktionsprinzip der Baugruppen zu verstehen, sondern es auch durch chemisches Redesign zu verbessern. Das erwartete Ergebnis des SunHy-Projekts ist eine neue Klasse von rational entworfenen photokatalytischen Molekülen für die energieeffiziente Produktion von Wasserstoff, die den Weg für langfristige praktische Anwendungen im großen Maßstab ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Großgeräte: Dazzler Pulse Shaper
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Privatdozentin Dr. Cristina Cebrian-Avilla; Professor Dr. Philippe C. Gros; Professor Dr. Stefan Haacke