Wasserstoff erzeugen per Sonnenlicht – ohne Strom

Chemikern der Uni Würzburg ist ein weiterer Schritt gelungen, um Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dabei erreichten sie eine ähnliche Effizienz wie die Natur.

Photosynthese Wasserstoff erzeugen wie die Natur (Klicker/pixelio.de)
Vorbild Natur Wasserstoff erzeugen wie bei der Photosynthese (Klicker/pixelio.de)

Soll die Klimawende gelingen, ist grüner Wasserstoff unabdingbar. Sowohl bei der nachhaltigen Erzeugung von Stahl, von Zement oder von Grundstoffe der chemischen Industrie geht kein Weg am Wasserstoff vorbei. Dabei gibt es ihn reichlich auf der Welt. In jedem Teil Wasser befinden sich neben einem Sauerstoff-Atom zwei Wasserstoff-Atome. Kein Element kommt im Universum so häufig vor.

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Letztlich geht es darum, dass störende Sauerstoff-Atom kostenarm aus den Wassermolekülen zu entfernen. Das geschieht in der Regel durch die sogenannte Elektrolyse. Das Verfahren ist einfach. Strom wird durch eine Wasserlösung geleitet. Dabei sammelt sich an einem Pol der Wasserstoff, an dem anderen der Sauerstoff. Doch hierbei geht viel Energie verloren. Um ein Kilogramm grünen Wasserstoff herzustellen, braucht es 40 bis 80 Kilogramm nachhaltig erzeugten Strom. Entsprechend gering ist der Wirkungsgrad.

Vorbild Natur

Deshalb versuchen Chemiker in aller Welt, den Umweg der Elektrolyse bei der Zerlegung von Wasser von Wasser zu umgehen. Vorbild ist die Photosynthese der Pflanzen. Die Flora spaltet Wasser per Licht. Um den Wasserstoff freizusetzen, muss aus Wassermolekülen der Sauerstoff entfernt werden. Dafür ist es zunächst nötig, aus zwei Wassermolekülen vier Elektronen und vier Protonen zu entziehen. Diese oxidative Reaktion ist nicht banal. Pflanzen nutzen dafür ein komplexes Gebilde als Katalysator, bestehend aus einem Cluster mit vier Mangan-Atomen, über die sich die Elektronen verteilen können.

Ein Team der Universität in Würzburg um Frank Würthner, Chef des Instituts für Organische Chemie und des Zentrums für Nanosystemchemie, hatte schon vor Jahren einen Durchbruch geschafft. Den Wissenschaftlern war es gelungen, eine Art künstliches Enzym zu erzeugen. Dieser Wasseroxidations-Katalysator bestand aus drei Zentren, in denen der thermodynamisch anspruchsvolle erste Schritt der Wasserspaltung ablief. Basis des Prozesses war Ruthenium. Das Element zählt zu den Platinmetallen und wird oft für katalytische Prozesse verwendet.

Eins statt drei

Jetzt ist es einem Würthner-Doktorand und seinen Kollegen gelungen, eine künstliche Tasche um den Ruthenium-Katalysator anzubringen. Darin werden die Wassermoleküle für den Elektronentransfer vor dem Ruthenium-Zentrum in einer genau definierten Anordnung angeordnet. Deshalb war möglich, die Anzahl der Ruthenium-Zentren von drei auf eines zu vermindern. Im Labor erreichten die Chemiker ähnlich hohe Aktivitäten wie in der Natur. Langfristig will das Team den Katalysator in ein Gesamtsystem so einbauen, dass er mit Sonnenlicht Wasser in dessen Bausteine Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

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