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WATER SPLITTING CATALYSTS FOR ARTIFICIAL PHOTOSYNTHESIS

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Veränderung der Energieproduktion durch Katalyse

Die Nutzung der künstlichen Photosynthese um Sonnenenergie in erneuerbare Kraftstoffe umzuwandeln, verspricht den globalen Energiebedarf zu decken und gleichzeitig den Klimawandel zu minimieren. Bahnbrechende Einblicke in neuartige Katalysatoren könnten dies möglich machen.

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Künstliche Photosynthese stellt uns vor gewaltige technische Herausforderungen. Das Enzym der Natur, Photosystem II, ermöglicht die Spaltung von Wasser, um molekularen Wasserstoff und Sauerstoff freizusetzen. In künstlichen Systemen kann Wasser auf maßgeschneiderten Metalloxidoberflächen oxidiert werden. Jedoch benötigt die Photosystem II ähnlichen Katalysatoroptimierung in vitro bisher fehlende detaillierte Informationen über die aktiven Stellen auf Massenoxiden. Die Wissenschaftler haben beeindruckende Fortschritte durch die Charakterisierung neuartiger und hocheffizienter Katalysatoren für die Wasseroxidation mithilfe einer EU-Finanzierung des Projekts "Water splitting catalysts for artificial photosynthesis" (H2OSPLIT) erzielt. Der Schwerpunkt lag auf kürzlich synthetisierten homogene Katalysatoren aus anorganischem Ruthenium haltigen Polyoxometalat (Ru-POM), die eine beispiellose Reaktivität und Stabilität in Lösung demonstrierten. Über ihre elektronischen und strukturellen Eigenschaften war nur wenig bekannt. Mit einer umfangreichen Theorie- und Simulationsarbeit liefert H2OSPLIT erfolgreich die dringend benötigte Charakterisierung der Ru-POM-Eigenschaften in der Gasphase auf atomarer Ebene. Die Forscher beschrieben auch erfolgreich die Wechselwirkung der aktiven Rutheniumoxidkerne des Systems mit einem Wassermolekül. Klassische Moleküldynamiksimulationen ergaben Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Gelöstem für den Katalysator in Lösung. Zusätzliche Simulationen deckten den Mechanismus der Wasseroxidation auf. H2OSPLIT zeigte, dass Ru4-POM im Nanomaßstab ist ein bahnbrechendes Katalysatorsystem für die Wasseroxidation bei der künstlichen Photosynthese ist. Die Wissenschaftler korrelierten die lokale Struktur der aktiven Stellen mit dem Reaktionsmechanismus und seinem thermodynamischen Wirkungsgrad. Die Arbeit hat den Weg für den rationalen Entwurf von verbesserten molekularen Katalysatoren nicht nur für die künstliche Photosynthese, sondern auch für eine Vielzahl von anderen industriell relevanten Reaktionen bereitet.

Schlüsselbegriffe

Künstliche Photosynthese, Katalysator, Enzym, das Photosystem II, Metalloxid, aktive Standorte, Wasseroxidation, Ruthenium, Polyoxometalat, Simulationen

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