Von Pflanzen inspirierte saubere Wasserstofferzeugung
Wasserstoff besitzt das Potenzial, die Energiematrix Europas zu revolutionieren, sauberen Strom zu liefern und die Abhängigkeit des Kontinents von fossilen Brennstoffen zu verringern. Bei mehr als 95 % der derzeitigen Produktionsverfahren für Wasserstoff entstehen jedoch große Mengen an Treibhausgasen, was bedeutet, dass er noch nicht „sauber“ ist. Im Projekt CLEANH2, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, ließen sich die Forschenden bei der Entwicklung saubererer Wege der Wasserstofferzeugung von der Photosynthese in Pflanzen inspirieren. Das CLEANH2-Team unter der Leitung von Nicolas Boscher(öffnet in neuem Fenster) am Luxembourg Institute of Science and Technology hat eine Reihe von Polymeren entwickelt, die den Prozess der Photosynthese nachahmen – sie können Wasser spalten, um sauberen Wasserstoff zu erhalten. „Seit über 3 Milliarden Jahren wird in der Natur mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser gespaltet“, erklärt Boscher, der das Projekt CLEANH2 koordiniert. „Photokatalytische Wasserspaltung, die auch als künstliche Photosynthese bezeichnet wird, nutzt Licht, um H2O-Moleküle in H2 und O2 zu spalten“, sagt er.
Photosynthetisierender Polymere erzeugen
Für diese neue Generation von wasserspaltenden Polymeren verwendete das Team Moleküle, die als Metalloporphyrine bekannt sind – Ausgangsverbindungen des photosynthetisierenden Chlorophylls in Pflanzen. Metalloporphyrine eignen sich gut für die Wasserspaltung, da sie mühelos zwischen Oxidationsstufen wechseln können, um elektrochemische Reaktionen auszulösen und somit Wasserstoff zu erzeugen. Für die Herstellung ihrer neuen polymeren Photokatalysatoren haben die Forschenden Metalloporphyrine miteinander verbunden (polymerisiert). Die daraus geformten Polymere können Licht absorbieren und in Energie umwandeln, um dann elektrochemische Reaktionen zur Erzeugung von Wasserstoff zu ermöglichen. „Die kovalente konjugierte Bindung, die zwischen den Metalloporphyrinen während ihrer Polymerisation entsteht, sorgt für einen kooperativen Effekt zwischen ihnen. Dies erleichtert den Ladungstransfer und verstärkt die katalytische Aktivität“, erläutert Boscher. Solche Polymere herzustellen ist jedoch nicht ganz einfach. Die Synthese sowie der praktische Einsatz von Polymeren auf der Basis von Metalloporphyrinen sind dadurch eingeschränkt, dass sie sich nicht leicht in Flüssigkeiten auflösen lassen. Aus diesem Grund wählte das Team einen andere Herangehensweise, bei dem die Verbindungen im gasförmigen Zustand verwendet werden. Mit diesem neuen Ansatz konnte das Team erfolgreich eine Reihe neuer Polymere herstellen, die direkt in Form eines dünnen Films synthetisiert wurden. Auf diese Weise können die Forschenden deren Fähigkeit, Wasser zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen, problemlos untersuchen.
Erkundung anderer katalytischer Prozesse
„Metalloporphyrinoide führen in der Natur zahlreiche wichtige katalytische Reaktionen aus: Photosynthese durch Chlorophylle, Atmung durch Cytochrome, Vitamin B12 im Stoffwechsel“, bemerkt Boscher. „Wenn wir in der Lage sind, die Eigenschaften von dünnen Polymerfilmen auf Metalloporphyrinbasis, wie sie im CLEANH2-Projekt erreicht wurden, präzise zu gestalten, eröffnet dies die Möglichkeit, weitere wichtige katalytische Prozesse anzugehen.“ Die Forschenden werden nun auf den Ergebnissen aufbauen, um Polymerkatalysatoren auf Metalloporphyrinbasis zu entwickeln, die Sonnenlicht und einfache Ausgangsmoleküle in Brennstoff oder fortschrittliche Chemikalien umwandeln. Sie haben solche Katalysatoren bereits für die ertragreiche und selektive Umwandlung von Nitraten, die in zahlreichen Abfallströmen vorkommen, in Ammoniak konzipiert und entwickelt.
Revolutionierung der Fähigkeit Europas, sauberen Wasserstoff zu erzeugen
Es ist geplant, noch fortschrittlichere Chemikalien zu synthetisieren. Diese Arbeit wird derzeit im Rahmen des – ebenfalls von Boscher koordinierten – Projekts SUN2CN mit Finanzmitteln von Horizont unterstützt. Dieses Projekt plant, ein eigenständiges Solar-to-X-Gerät zu entwickeln, das einfache, energiearme Moleküle aus Abfallströmen in wertvolle Kohlenstoff-Stickstoff-Chemikalien umwandelt und dabei Sonnenlicht als einzige Energiequelle nutzt. „Kohlenstoff-Stickstoff-Chemikalien wie Harnstoff und Methylamin, die für die Landwirtschaft und die Pharmaindustrie von entscheidender Bedeutung sind, tragen erheblich zur menschlichen Gesundheit und Lebensqualität bei“, so Boscher. „Sollte das neue Gerät erfolgreich sein, wird es keinen Bedarf an fossilen Ressourcen und der energieintensiven Ammoniakproduktion geben“, ergänzt Boscher. „SUN2CN zielt darauf ab, einen Durchbruch im Chemie- und Energiesektor zu erzielen.“
