Der erste Schritt ist entscheidend
Die Lichtwellenlänge beeinflußt die Effektivität der Wasserstofferzeugung bei künstlicher Photosynthese.
Die Lichtwellenlänge beeinflußt die Effektivität der Wasserstofferzeugung bei künstlicher Photosynthese.
Energie aus Wasserstoff – an dieser Lösung zur Überwindung der Energiekrise arbeiten Wissenschaftler weltweit und versuchen unter anderem, das Sonnenlicht als Triebkraft für die Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff zu nutzen. Bei der Nachbildung der Photosynthese im Labor ist einem Team aus Wissenschaftlern der Universitäten Jena und Erlangen-Nürnberg sowie vom Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena jetzt ein Teilerfolg gelungen. Die Physiker und Chemiker konnten in ihren Versuchen nachweisen, dass der erste Schritt bereits die Effizienz der Wasserstoffbildung bestimmt. "Das ist so, als wenn man durch das Umdrehen des Zündschlüssels im Auto bereits über das Ziel entscheidet", verdeutlicht Michael Schmitt vom Institut für Physikalische Chemie (IPC) der Universität Jena. Wissenschaftlich formuliert: Der Franck-Condon-Punkt muss so gestaltet werden, dass schon der initiale Elektronentransferprozess in Richtung des katalytisch aktiven Zentrums erfolgt.
Abb.: Stefanie Tschierlei (l.) und Michael Schmitt in einem Labor des Instituts für Physikalische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena beim Versuch, aus einer speziellen Farblösung durch Bestrahlung mit Laserlicht molekularen Wasserstoff zu erzeugen. (Bild: FSU Jena)
Die Wissenschaftler setzen bei ihren Versuchen zur effizienteren Energieumwandlung auf chemische Photokatalysatoren (sog. PMDs). Licht wird dabei genutzt, um Elektronen gezielt von einer Untereinheit dieses Moleküls zu einer anderen springen zu lassen oder über eine Ligand genannte "Brücke“ zu transportieren.
Wie bei der Photosynthese hat der Prozess, den die Forscher im Labor ablaufen lassen, zwei wesentliche Stationen: Ein spezieller Metallkomplex mit Ruthenium als ausschlaggebendem Bestandteil dient als Antenne, die das Licht einfängt. Das Ruthenium gibt daraufhin ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum wechselt, dessen Kern ein Palladiumatom bildet. An diesem Metallzentrum wird schließlich Wasserstoff gebildet. Entgegen der perfekten Natur gelangen im Laboraufbau noch nicht alle Elektronen vom Ruthenium auf das Palladiumzentrum, einige wählen "Abzweigungen", geraten in "Kreisverkehr“ oder "Sackgassen“ und gehen damit für die Reaktion verloren. Mit Hilfe der Resonanz-Raman-Spektroskopie konnten die Wissenschaftler aber beobachten, wohin das Elektron nach Lichtanregung springt. Das ermöglichte die Entwicklung eines neuen Syntheseparadigmas für solche Photosynthesekomplexe. Das Forscherteam konnte nachweisen, dass die Effektivität der Wasserstofferzeugung durch die Wellenlänge des Lichtes verändert wird. Sie ist umso effizienter, je roter das Licht ist, das zur Anregung verwendet wird – Licht von einer Wellenlänge von 550 nm ist optimal. „Je roter das Licht, umso mehr Elektronen gehen zum Brückenliganden, der das Ruthenium mit dem Palladium verbindet“, erklärt Schmitt. Außerdem entscheidet der erste Schritt bei einer Absorption eines Liganden darüber, wohin das Elektron geht und damit, wie effektiv die Energiegewinnung ist.
Durch diese Erkenntnisse ist es den Forschern möglich gezielt Barrieren aufzubauen, damit die Elektronen nicht vom "rechten Weg" abkommen, sondern ausschließlich beim Palladium landen. Im Labor lag bei ersten Versuchen die Wasserstoffgewinnung um das vierfache über den früheren Werten, aber noch weit unter der notwendigen Rate. Das Ziel ist nun, die molekularen Katalysatorenkomplexe so zu optimieren, dass keine Elektronen mehr vom terminalen Liganden aufgenommen werden.
Der Weg zur künstlichen Photosynthese ist noch ein weiter. Aber jeder Weg beginnt mit einem einzelnen, wichtigen Schritt, das haben die Wissenschaftler bestätigt.
Friedrich-Schiller-Universität Jena/PH
