Molekulare Würfel im Sonnenlicht

Ein australisch-amerikanisches Forscherteam hat bei den Pflanzen abgeschaut und einen Katalysator entwickelt, der eine notwendige Teilreaktionen bei der Aufspaltung von Wasser effektiv katalysiert.

Wasserstoff wird einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft sein. Ideal wäre es, Wasserstoff nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern durch die Spaltung von Wasser zu gewinnen. Die Elektrolyse von Wasser ist allerdings ein extrem energieintensives Verfahren und damit nicht nur teuer, sondern auch nicht wirklich nachhaltig, wenn der notwendige Strom wiederum aus fossilen Brennstoffen erzeugt würde. Die Photolyse, das heißt die Spaltung des Wassers durch Licht, ist eine viel versprechende Alternative. Ein australisch-amerikanisches Forscherteam hat nun einen Katalysator entwickelt, der eine der notwendigen Teilreaktionen, die Photo-Oxidation von Wasser, effektiv katalysiert. Wie es in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, ist das Herzstück des Katalysators ein manganhaltiger Komplex, der von photosynthetischen Organismen abgeschaut wurde.

Eine Elektrolyse ist die Umkehrung der Vorgänge in einer Batterie: Elektrische Energie wird in chemische umgewandelt. Die Elektrolyse von Wasser besteht aus zwei Teilreaktionen: Im Kathodenraum werden Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen) zu Wasserstoff reduziert, im Anodenraum wird durch die so genannte Oxidation von Wasser Sauerstoff gebildet. Die Forscher wollen Sonnenlicht nutzen, um diesem stromintensiven Verfahren auf die Beine zu helfen. Dazu gilt es, die hohe Lichtausbeute moderner Solarzellen mit effektiven Photo-Katalysatoren für die Oxidation von Wasser und die Reduktion von Wasserstoffionen zu Wasserstoffgas zu kombinieren.

Die größte Hürde auf dem Weg zur photokatalytischen Wasserspaltung war bisher, dass noch kein robuster Katalysator für die Wasseroxidation gefunden werden konnte. Tatsächlich ist der am besten bekannte Katalysator, der Wasser unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht sehr effektiv oxidiert, ein manganhaltiges Enzym aus dem Photosyntheseapparat lebender Organismen. Diese Struktur nahmen Robin Brimblecombe und Leone Spiccia von der Monash University (Australien), Gerhard F. Swiegers von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO, Australien) sowie G. Charles Dismukes von der Princeton University (USA) als Vorbild für ihren Photokatalysator.

Es handelt sich dabei um einen Mangan-Oxo-Komplex mit einem würfelförmigen Kern aus vier Mangan- und vier Sauerstoffatomen, der von Phosphinatmolekülen eingekapselt wird. Die eigentliche katalytisch aktive Spezies entsteht, wenn Lichtenergie ein Molekül aus der Kapsel freisetzt.

Allerdings ist der Mangan-Komplex nicht in Wasser löslich. Die Forscher umgingen dieses Problem, indem sie eine Elektrode mit einer hauchdünnen Nafion-Membran beschichteten. Eingelagert in die wässrigen Kanälchen dieser Membran wird die katalytische Spezies stabilisiert und kommt mit den Wassermolekülen gut in Kontakt. Bestrahlen mit sichtbarem Licht bei einer angelegten Spannung von 1,2 V führt zu einer effektiven Elektrooxidation von Wasser.

Diese anodische Halbzelle ließe sich einfach mit einer katalytischen wasserstofferzeugenden Kathodenzelle paaren. So soll eine photoelektrochemische Zelle entstehen, die reinen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Sonnenlicht herstellt.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Robin Brimblecombe, Gerhard F. Swiegers, G. Charles Dismukes, Leone Spiccia, Sustained Water Oxidation Photocatalysis by a Bioinspired Manganese Cluster, Angewandte Chemie (Online-Veröffentlichung 2008).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200801132
• Leone Spiccia, Monash University, Victoria (Australia):
  http://www.chem.monash.edu.au/staff/spiccia/research.html