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OPTIMAS-Messmethode liefert neue Erkenntnisse zu wasserspaltenden Photokatalysatoren

Schematische Darstellung der massenspektrometrischen Charakterisierung der untersuchten Ruthenium-komplexe mittels Femtosekunden pump-probe Photofragmentations-Spektroskopie (pumb-probe = Anregung-Abfrage).

Wasserstoff ist aufgrund seiner hohen Energiedichte ein hervorragender Energiespeicher. Nicht umsonst gelten Autos, die mit Brennstoffzellen betrieben werden, als ernstzunehmende Alternative zu ebenso umweltfreundlichen Batteriefahrzeugen. Zwar ist das einzige Nebenprodukt der im Auto verbauten Brennstoffzelle Wasser, jedoch entstehen bei der heutzutage bedeutendsten Methode zur Wasserstoffherstellung, der Dampfreformierung von Erdgas, große Mengen an Treibhausgasen. Eine umweltschonende Alternative ist die photokatalytische Wasserspaltung. Für den massenhaften Einsatz muss dieses Verfahren allerdings noch stark verbessert werden. In der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ stellen Forscher aus Ulm, München und Kaiserslautern eine effiziente Methode zur Charakterisierung wasserspaltender Katalysatoren vor:

Pump-Probe Fragmentation Action Spectroscopy: A Powerful Tool to Unravel Light-Induced Processes in Molecular Photocatalysts
D. Imanbaew, J. Lang, M. F. Gelin, S. Kaufhold, M. G. Pfeffer, S. Rau, C. Riehn
Angew. Chem. Int. Ed. 2017, doi: 10.1002/anie.201612302

Zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff durch Photokatalyse forscht eine interdisziplinäre Gruppe um Professor Sven Rau an der Universität Ulm. Bei der künstlichen Photosynthese wird Wasser mithilfe von Sonnenenergie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt: Ein spezieller Metallkomplex – im verwendeten Modell aus Ruthenium – dient als Lichtfänger. Das Ruthenium gibt daraufhin ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum aus Platin oder Palladium springt. An diesem Zentrum wird dann Wasserstoff hergestellt. Für die massenhafte technische Nutzung sind bisherige Photokatalysatoren jedoch nicht aktiv genug.

An der TU Kaiserslautern wurden die wasserspaltenden Photokatalysatoren von der Arbeitsgruppe um Christoph Riehn vom Fachbereich Chemie massenspektrometrisch charakterisiert. Anhand der untersuchten Modell-Photokatalysatoren konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die aus der Lösung bekannte Stabilität auch in der Gasphase existiert. Dafür haben sie in den letzten zehn Jahren gewonnene Daten mit den aktuellen Ergebnissen abgeglichen. Zudem fanden sich Hinweise auf ein ultraschnelles Springen von Elektronen von dem photochemischen Triebwerk, in diesem Fall ein Rutheniumkomplex, zum katalytischen Reaktionszentrum, einem Platinkomplex. Somit konnte die Forschergruppe die Funktionalität des neuen Verfahrens anhand detailliert untersuchter Modellkatalysatoren nachweisen. Sie erlangten Einblick in die photochemischen Elementarprozesse dieser Katalysatoren durch eindeutige Zuordnung der Schritte im Energie- bzw. Elektronentransferprozess. Unterstützung in der Theorie erhielten die Forschungsgruppen dabei von Dr. Maxim F. Gelin (TU München), der wichtige Simulationen zur Interpretation der experimentellen Daten beitrug.

Das Kaiserslauterer Messverfahren, das Massenspektrometrie mit Femtosekunden-Laserspektroskopie kombiniert, wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 88 („Kooperative Effekte in homo- und heterometallischen Komplexen“, 3MET) entwickelt. Das Team von Christoph Riehn gehört zur Arbeitsgruppe von Professor Niedner-Schatteburg (Fachbereich Chemie und Landesforschungszentrum OPTIMAS der TU Kaiserslautern).