{"id":29194,"date":"2015-10-13T07:00:10","date_gmt":"2015-10-13T05:00:10","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fphysik-astronomie%2Fmit-licht-zu-wasserstoff.html"},"modified":"2015-10-12T14:44:27","modified_gmt":"2015-10-12T12:44:27","slug":"mit-licht-zu-wasserstoff","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mit-licht-zu-wasserstoff\/","title":{"rendered":"Mit Licht zu Wasserstoff"},"content":{"rendered":"

Der Energiebedarf der Menschheit steigt. Die Ressourcen der klassischen Energietr\u00e4ger sind dagegen endlich. Wasser und Sonnenlicht wiederum gibt es fast unbegrenzt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Festk\u00f6rperforschung in Stuttgart und von der Ludwig-Maximilians-Universit\u00e4t M\u00fcnchen haben nun ein Material geschaffen, das mittels Licht aus Wasser den vielseitigen Energietr\u00e4ger Wasserstoff erzeugt. Dieser polymere Photokatalysator ist chemisch robust. Zudem l\u00e4sst sich die Rate der Wasserstoffproduktion \u00fcber kleine strukturelle Ver\u00e4nderungen am Katalysator regulieren.<\/strong><\/p>\n

Es ist gar nicht so einfach, einen sogenannten Photokatalysator f\u00fcr die Spaltung von Wasser zu finden. Eine Substanz also, welche die Energie im Sonnenlicht direkt nutzt, um die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen im Wasser aufzubrechen. In Labors gelingt dies bereits mit manchen Substanzen. Aber die Ausbeute ist h\u00e4ufig gering und der Weg in die industrielle Alltagspraxis noch fern.<\/p>\n

Die Gruppe Nanochemie von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut f\u00fcr Festk\u00f6rperforschung in Stuttgart und an der Ludwig-Maximilians-Universit\u00e4t (LMU) M\u00fcnchen hat nun \u2013 gemeinsam mit Theoretikern um Christian Ochsenfeld an der LMU \u2013 einen weiteren Ansatz entwickelt. Die Forscher haben dabei sogenannte kovalente organische Netzwerkverbindungen (COFs, covalent organic frameworks) entworfen, die in der Lage sind, Wasserstoff zu produzieren.<\/p>\n

COFs sind kristalline, hochmolekulare Polymere, bei denen bestimmte Ausgangsmolek\u00fcle zu sehr regelm\u00e4\u00dfigen, zwei- oder auch dreidimensionalen Strukturen vernetzt werden. Weil solche Netzwerkpolymere neben geeigneten optischen und elektronischen Eigenschaften eine relativ gro\u00dfe Oberfl\u00e4che aufweisen, zeigen sie auch gute katalytische Eigenschaften.<\/p>\n

Wichtiger noch ist aber die molekulare Pr\u00e4zision, mit der solche Photokatalysatoren entworfen und optimiert werden k\u00f6nnen: Damit bilden COFs eine n\u00fctzliche Plattform, um Materialeigenschaften gezielt variieren und damit den Prozess der Photokatalyse rational steuern zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

Elektronen auf Wanderschaft<\/h3>\n

Photokatalysatoren m\u00fcssen ganz grunds\u00e4tzlich \u00fcber Elektronen verf\u00fcgen, die sich mit sichtbarem Licht so anregen lassen, dass sie sich relativ frei bewegen und auf ein fremdes Atom oder Molek\u00fcl \u00fcbergehen k\u00f6nnen. Letztlich sind es diese Elektronen, die auf die Protonen im Wassermolek\u00fcl \u00fcbertragen werden \u2013 und somit elementaren Wasserstoff entstehen lassen.<\/p>\n

Die in Stuttgart entwickelten COFs erf\u00fcllen all dies. Allerdings mussten die Forscher ihrem pulverf\u00f6rmigen Polymer noch Platin-Nanopartikel und einen sogenannten Elektronen-Donor zusetzen. \u201eDie Platinteilchen wirken als Mikroelektroden, an denen die Elektronen vom COF zum Wasserstoff \u00fcbergehen\u201c, sagt Vijay Vyas, Wissenschaftler in der Nanochemiegruppe am Stuttgarter Max-Planck-Institut f\u00fcr Festk\u00f6rperforschung.<\/p>\n

\u201eUnd der Elektronen-Donor ist n\u00f6tig, um die im COF zur\u00fcckbleibende positive Ladung wieder auszugleichen\u201c, so Vyas. Die Forscher gaben alle Zutaten in eine w\u00e4ssrige L\u00f6sung. Bestrahlten sie die Mixtur mit sichtbarem Licht, setzte die Bildung von Wasserstoff ein.<\/p>\n

F\u00fcr die Wissenschaftler war nicht nur erfreulich, dass die so geformten COFs in der Lage waren, Wasserstoff zu produzieren. Dar\u00fcber hinaus gelang es ihnen, die Rate, mit der das Material Wasserstoff erzeugt, durch Einstellung der molekularen Geometrie der Netzwerke zu regulieren.<\/p>\n

Zu diesem Zweck variierten sie gezielt das Ausgangsmaterial \u00ad\u2013 eine Triphenylaryl-Verbindung \u2013, aus dem sie den Katalysator herstellten. \u201eEine besonders hohe Wasserstoffausbeute erzielten wir, als die Ausgangssubstanz ann\u00e4hernd planar war\u201c, sagt Vyas. Der Befund deckte sich auch mit parallel durchgef\u00fchrten theoretischen Berechnungen. \u201eDies ist das erste Mal \u00fcberhaupt, dass wir die photokatalytischen Eigenschaften eines COFs auf molekularer Ebene pr\u00e4zise einstellen k\u00f6nnen\u201c, so der Max-Planck-Wissenschaftler.<\/p>\n

In Zukunft wollen die Forscher diese Erkenntnisse nutzen, um ihre Substanzen gezielt weiterzuentwickeln. Ein Ziel ist dabei, den Mechanismus der Photokatalyse in diesen Systemen genauer zu verstehen und das komplexe Zusammenspiel der Einzelkomponenten weiter zu verfeinern.<\/p>\n

Viele Einsatzm\u00f6glichkeiten<\/h3>\n

Trotz der ersten Erfolge sind auch diese Materialien noch weit davon entfernt, f\u00fcr eine industrielle Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Sonnenlicht infrage zu kommen. Daf\u00fcr m\u00fcsste sich das Material beispielsweise kosteng\u00fcnstig in gr\u00f6\u00dferen Mengen herstellen lassen und \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume stabil Wasserstoff produzieren. Auch wenn diese und weitere Fragen noch offen sind, kann sich Vijay Vyas auf jeden Fall vorstellen, dass die Menschheit eines Tages in der Lage sein wird, Wasserstoff auf sehr effiziente Art einfach aus Licht, Wasser und einem Kohlenstoff-basierten Material herzustellen.<\/p>\n

Dieser umweltfreundlich gewonnene Wasserstoff w\u00e4re dann f\u00fcr vieles einsetzbar. Schon heute gibt es Szenarien, ihn als Kraftstoff f\u00fcr Fahrzeuge oder f\u00fcr die Herstellung weiterer Energietr\u00e4ger zu nutzen. In Brennstoffzellen wiederum lie\u00dfe sich mit Wasserstoff (und Sauerstoff) Strom erzeugen. Und auch der Wasserstoff, der derzeit in der Industrie f\u00fcr die Herstellung vieler wichtiger Chemikalien eingesetzt wird, lie\u00dfe sich dann umweltfreundlich bereitstellen. Derzeit wird er vor allem aus fossilen Rohstoffen gewonnen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Eine organische Gerüstverbindung dient als Katalysator, um aus Wasser photolytisch Wasserstoff herzu…<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[10630],"supplier":[5036,11006],"class_list":["post-29194","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","tag-hydrogen","supplier-ludwig-maximilians-universitaet-muenchen","supplier-max-planck-institut-fuer-festkoerperforschung"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/29194","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=29194"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/29194\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=29194"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=29194"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=29194"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=29194"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}