Eine effiziente solargetriebene Wasserspaltung
Eine Verringerung der Abhängigkeit von der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Geopolitische Differenzen, die die Energiesicherheit bedrohen, könnten beseitigt und Emissionen, die gemeinhin als Hauptursache für den globalen Klimawandel gelten, verringert werden. Wasserstoff als Energieträger stand im Fokus intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Obwohl die Wasserstoffherstellung eine große und wachsende Industrie darstellt, basieren beinahe alle Techniken auf Kohlenwasserstoff (fossile Brennstoffe) als Wasserstoffquelle. Wissenschaftler starteten das von der EU geförderte Projekt „Modular ligands for water splitting“ (WATERSPLIT), um neuartige, verbesserte Katalysatoren für die komplexe protonengekoppelte Multitelektronenübertragung im Zusammenhang mit der solargetrieben Wasserspaltung zu entwickeln. Es wurde insbesondere versucht, Katalysatoren für eine Wasseroxidation zu Sauerstoff und eine Wasserreduktion zu molekularem Wasserstoff (H2) mit höheren Aktivitäten, Spezifitäten und Effizienzen als derzeit verfügbare zu erstellen. Im Fokus stand die Verwendung abundanter, umweltgerechter und kostensparender Übergangsmetallelemente. Diese wurden zur Erstellung homogener Koordinationskomplexe verwendet, die aus einem zentralen Metallkation bestehen, an das sich negativ geladene Liganden binden. Untersuchungen der Produktentstehungsmechanismen und eine Beschreibung der katalytischen Eigenschaften führte zur Identifizierung neuer Familien hocheffizienter Wasseroxidationskatalysatoren (Water-Oxidation Catalysts, WOC) und Wasserreduktionskatalysatoren (Water-Reduction Catalysts, WRC). Die WATERSPLIT-Wasseroxidationskatalysatoren basieren auf abundantem, umweltgerechtem Eisen. Das Team lieferte Erkenntnisse zu der Beschaffenheit des Metallzentrums, das sich auf die Aktivität auswirkt. Dies wird für die Entwicklung weiterer Katalysatorsysteme und katalytischer Transformationen hilfreich sein. Des Weiteren ermittelten die Forscher ein Reaktionszwischenprodukt, das als Modell des Komplexes Photosystem II, in dem der erste Schritt auf dem Photosyntheseweg stattfindet, verwendet werden kann. Die auf Kobalt basierenden Wasserreduktionskatalysatoren sind sowohl in der Lage als Photokatalysatoren als auch als Elektrokatalysatoren zu fungieren. Mechanistische Einblicke und Charakterisierungen der aus abundanten und umweltgerechten Übergangsmetallelementen bestehenden WOC und WRC ebnen den Weg für einen vernünftigen Entwurf effizienterer Katalysatoren. Eine höhere Effizienz bei der solargetriebenen Wasserspaltung zur H2-Herstellung könnte diese tatsächlich emissionsfrei machen.
Schlüsselbegriffe
Solargetrieben, Wasserspaltung, Wasserstoff, Katalysatoren, modulare Liganden
