Wasserstoff gilt als eine der alternativen Energiequellen der Zukunft. Bisher ist allerdings die aufwändige und energieintensive Herstellung ein großes Problem bezüglich der Umweltfreundlichkeit dieses an sich CO2-neutralen Stoffs. Daher forschen immer mehr Wissenschaftler rund um die Welt nach anderen Methoden, Wasserstoff herzustellen: Zum Beispiel aus Algen. (IO berichtete) Wissenschaftler der der Friedrich-Schiller-Universität, des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Universität Ulm haben sich bei ihrer Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen, von der Natur inspirieren lassen.
Das Team des Sonderforschungsbereichs „CataLight“ der Universitäten Jena und Ulm kombiniert hierzu neuartige organische Farbstoffe mit edelmetallfreien Katalysatormolekülen, die im Wasser gasförmigen Wasserstoff freisetzen, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Das Substitut habe einen bemerkenswerten Einfluss in Bezug auf Langlebigkeit und Wirkung nach der Anregung durch sichtbares Licht gezeigt, schreiben sie in ihrer Studie, die in der Fachpublikation Chemistry – A European Journal veröffentlicht wurde.
Photosynthese als Inspiration
In der Natur wird Sonnenlicht in chemischen Bindungen am effektivsten durch Photosynthese gespeichert, denn die Lichtsammel- und Reaktionskomplexe in der Thylakoidmembran sind in den Chloroplasten fest angeordnet. Die Forscher um Prof. Dr. Felix Schacher erreichen eine solche Anordnung mithilfe von Polymeren, die sowohl mit hydrophilen als auch hydrophoben Stoffen interagieren. Diese geladenen, sogenannten Propfcopolymere werden künstlich hergestellt.
Bisher setzen Wissenschaftler bei der künstlichen Photosynthese in erster Linie auf Edelmetallkomplexe als lichtabsorbierende Materialien. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Kalina Peneva arbeitet jedoch an metallfreien Farbstoffen. Die Forscher aus Jena setzen auf Rylen-Farbstoffe, die besonders stabil gegenüber Licht und chemischen Prozessen sind.
„Die in der Forschung eingesetzten, lichtabsorbierenden Metallkomplexe enthalten oftmals Ruthenium oder Iridium“, erklärt Prof. Dr. Kalina Peneva. „Diese Metalle machen am Massenanteil der Erdkruste allerdings weniger als 0,1 Millionstel Prozent aus und sind daher perspektivisch limitiert.“ Der Einsatz von photoaktiven Verbindungen auf organisch-chemischer Basis sei deutlich nachhaltiger als die Verwendung von Schwermetallen.
Probleme der Zukunft mit interdisziplinären Kooperationen lösen
Mit der Aufnahme von Licht allein ist es allerdings noch nicht getan. Damit Wasserstoff entsteht, müssten die Energieniveaus der Farbstoffe und Katalysatormoleküle nach der Absorption präzise zueinander passen, sagen die Forscher. Um diese Energieniveaus zu ermitteln, arbeiten die Forscher der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Benjamin Dietzek mit spektroskopischen Methoden. Hier können sie aus der Wechselwirkung von Materie mit definiertem Licht unter anderem Rückschlüsse auf die aufgenommene und im Molekül verbliebene Energie ziehen.
Neben der wissenschaftlichen Erkenntnis habe sich Aussagen der Wissenschaftler auch klar gezeigt, dass die Probleme der Zukunft am effektivsten mit interdisziplinärer Zusammenarbeit angegangen werden sollten. „Denn neben organischen Chemikern und Polymerforschern lieferten auch Physikochemiker des Leibniz-IPHT sowie anorganische Chemiker und Chemieingenieure der Universität Ulm wertvolle Beiträge und Erkenntnisse.“