Grüner Wasserstoff auf Knopfdruck

Ulmer und Jenaer Forschende haben ein System entwickelt, das die licht­getriebene Herstellung von Wasserstoff zu jeder Tages- und Jahreszeit ermöglicht. Das neue System macht sogar die Speicherung von Lichtenergie möglich. So kann die Produktion des grünen Wasserstoffs nachfrage­orientiert starten. Zukünftige Anwendungen reichen von der klima­freundlichen Strom- und Wärme­erzeugung bis zu solar­betriebenen Wasserstoff-Tankstellen. Möglich wurde dieser Erfolg mit einem Einzelmolekül­katalysator, der an den Universitäten Ulm und Jena entwickelt wurde.

Frühere Modelle zur Wasserstoff­herstellung beruhten oft auf der Kopplung mehrerer Komponenten wie Photo­voltaik-Zellen, Batterien und Elektrolyseuren. Dabei summieren sich die Energie­verluste jedoch bei jedem Schritt; die Wasserstoff­produktion ist wenig effizient. Im Gegensatz dazu basiert die Ulmer Alternative auf einem einzigen Molekül, das Sonnenlicht aufnehmen, Energie speichern und Wasserstoff herstellen kann. In dieser kompakten Einheit wird also die räumliche und zeitliche Trennung dieser Schritte möglich. „Licht­einstrahlung führt in unserem Molekül zur Ladungs-Trennung und Elektronen-Speicherung – im Ergebnis entsteht ein flüssiger, leicht speicher­barer Treibstoff. Die bedarfsgerechte Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffs wird durch die Zugabe einer Protonen-Quelle erreicht“, sagt Carsten Streb von der Universität Ulm.

Die Forschenden haben die Leistungs­fähigkeit ihres Systems mit verschiedensten Analyse­methoden überprüft. Im Ergebnis zeigt die molekulare Einheit eine exzellente chemische und photo­chemische Stabilität. „Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht chemische Veränderungen und eine Optimierung des Gesamtsystems“, sagt Sebastian Amthor, der an der Universität Ulm promoviert hat und nun in Spanien forscht. In Zukunft soll das Modell hochskaliert werden und somit als Blaupause für dezentrale Energiespeicher dienen. Wichtige Struktur­analysen und optisch-spektro­skopische Arbeiten, die die Antwort des Katalysators auf Licht beschreiben, wurden am Zentrum für Energie und Umweltchemie der Universität Jena durchgeführt. Dabei kam unter anderem die hoch­auflösende Massen­spektrometrie zum Einsatz. „Erst mit diesem Gerät war es möglich, die Strukturen der neuen molekularen Kata­lysatoren im Detail zu bestimmen“, betonen die Jenaer Wissenschaftler Ulrich S. Schubert und Benjamin Dietzek-Ivanšić.

Entwickelt wurde das photo­chemische System im Zuge des Transregio-Sonderforschungs­bereichs TRR 234 CataLight. In dem mit zehn Millionen Euro geförderten Verbundprojekt nehmen sich Forschende der Universitäten Ulm und Jena die Photo­synthese zum Vorbild und entwickeln neue Materialien für die Energie­wandlung – ein Beispiel sind künstliche Chloroplasten für die Wasserstoff­herstellung. 

U. Ulm / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Amthor et al.: A photosensitizer–polyoxometalate dyad that enables the decoupling of light and dark reactions for delayed on-demand solar hydrogen production, Nat. Chem., online 27. Januar 2022; DOI: 10.1038/s41557-021-00850-8
• Zentrum für Energie und Umweltchemie (CEEC Jena), Universität Jena
• Institut für Anorganische Chemie I, Universität Ulm