Lichtgetriebene Prozesse aufgeschlüsselt

Um Menschen weltweit klimaverträglich mit Energie zu versorgen, gilt Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft. Versuche, diesen umwelt­freundlich aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen, sind allerdings bislang wenig ergiebig. Ein Forscherteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun eine Methode entwickelt, die grundlegende Prozesse entschlüsselt, um neue Materialien für die Nutzung von Sonnen­energie nach dem Vorbild der Natur zu erforschen. Mit spektro­skopischen und elektro­chemischen Techniken können sie erstmals sichtbar machen, nach welchen Mechanismen mehrschrittige licht­getriebene Prozesse funktionieren. 
 

„Lichtgetriebene Prozesse haben wir bislang wahrgenommen wie einen Hundert-Meter-Lauf, bei dem man den Startschuss hört und dann erst wieder das Ziel-Foto zu sehen bekommt“, erläutert Benjamin Dietzek vom Leibniz-IPHT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Nach dem Vorbild der Photosynthese in der Natur werden in solchen mehrschrittigen photokatalytischen Prozessen durch Licht chemische Reaktionen ausgelöst. Wie diese ablaufen und welche Faktoren die Reaktivität von Zwischen­produkten beeinflussen, habe man aufgrund der extrem kurzen Lebensdauer dieser Zwischen­produkte bislang nicht untersuchen können. Die Arbeit aus Jena zeigt nun neue Ansätze auf, diese bisher nicht untersuchbare Reaktivität zu analysieren. 

Mit der nun erarbeiteten Methode gelingt es erstmals, die Mechanismen zu enthüllen, nach denen lichtgetriebene Prozesse funktionieren. Mithilfe von spektro­elektro­chemischen Methoden können die Wissenschaftler den durch Licht angeregten Multi­elektronen­transfer zeitaufgelöst sichtbar machen und Reaktionen nachvollziehen, die nur Femto- und Nanosekunden andauern.

Um solche ultrakurzen chemischen Reaktionen zeitaufgelöst sichtbar zumachen, kombinieren die Forscher spektro­elektro­chemische Methoden mit quantenchemischen Simulationen. „Wir haben damit eine Methode entwickelt, die im Prinzip auf alle mehrschrittige photo­katalytischen Prozesse anwendbar ist“, so Benjamin Dietzek. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, die gesamte katalytische Aktivität besser zu verstehen, indem sie Einblicke in den bislang weitgehend unverstandenen Ablauf mehrstufiger Multielektronen-Transfer-Kaskaden liefert. Diese finden in der Atmungskette ebenso statt wie in der natürlichen und künstlichen Photosynthese oder in Solarzellen. Damit eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, hochaktive und stabile Photokatalysatoren für die Produktion von Wasserstoff und eine klima­freundliche Energie­versorgung der Zukunft zu erforschen.

Die Arbeit entstand innerhalb des Sonderforschungsbereichs „CataLight“ („Light-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials – Synthesis and Mechanistic Studies“), in dem Wissenschaftler der Universitäten Jena und Ulm nachhaltige Energiewandler nach dem Vorbild der Natur erforschen. Neben dem Jenaer Leibniz-IPHT gehören die Universität Wien und das Max-Planck-Institut für Polymer­forschung in Mainz zu den Projekt­partnern. 

Leibniz-IPHT / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Zedler et al.: Unraveling the Light‐Activated Reaction Mechanism in a Catalytically Competent Key Intermediate of a Multifunctional Molecular Catalyst for Artificial Photosynthesis, Angew. Chem., online 26. Juli 2019; DOI: 10.1002/anie.201907247
• Funktionale Grenzflächen (B. Dietzek), Leibniz-Institut für Photonische Technologien, Jena
• SFB „CataLight“ (Light-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials – Synthesis and Mechanistic Studies)