Themen: Energie (312) Kooperationen (139) Solare Brennstoffe (77)

Science Highlight    21.01.2015

Auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese

Künstliche Katalysatoren ahmen das Prinzip der Photosynthese nach.

Copyright: HZB

HZB-Forscher beschreiben effizienten Mangan-Katalysator für die Umwandlung von Licht in chemische Energie

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) haben die Elektronenzustände eines Mangan-Katalysators exakt beschrieben, der Licht in chemische Energie umwandeln kann. Die Forscher haben damit einen wichtigen Schritt gemacht, um Photosynthese – die Energiegewinnungsmethode grüner Pflanzen – in künstlichen Systemen besser zu verstehen.

Die Arbeiten fanden statt im Rahmen einer Kooperation des HZB mit der School of Chemistry und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science an der Monash University in Australien. Die Teams um Professor Emad Aziz, Leiter des HZB-Instituts „Methoden der Materialentwicklung“ und Professor Leone Spiccia von der Monash University haben Ergebnisse ihrer Forschung heute im Journal „ChemSUSChem“ (DOI:  10.1002/cssc.201403219) und vor kurzem im „Journal of Materials Chemistry A“ der renommierten Royal Society of Chemistry veröffentlicht (DOI: 10.1039/c4ta04185b).

Könnte man das Licht der Sonne ohne großen Aufwand direkt in chemische Energie umwandeln – sämtliche Energiesorgen der Menschheit wären Vergangenheit. Grüne Pflanzen haben dafür einen Mechanismus entwickelt, die Photosynthese: Sie nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Substanzen wie Zucker aufzubauen. Doch die Moleküle des so genannten „Oxygen Evolution Centre“, wo diese Vorgänge in den Pflanzenzellen stattfinden, sind hochkomplex und sehr empfindlich. Wissenschaftler sind deshalb bestrebt, die katalytischen Vorgänge im Labor in künstlichen Systemen ablaufen zu lassen und diese für den kommerziellen Einsatz zu optimieren.

An seinem Institut erforscht Emad Aziz chemische Katalysatoren zur Wasserspaltung, die zu ähnlicher Leistungsfähigkeit gebracht werden sollen wie die Photosynthese-Enzyme. Vor einiger Zeit haben die Wissenschaftler bereits herausgefunden, welche Beschaffenheit solche Energiewandler haben müssen. Am besten geeignet sind Mangan-Komplexe, die in eine Nafion-Matrix – einem Teflon-ähnlichen Polymer – eingebettet sind. Die Proben dafür hat Leone Spiccias Team entwickelt und zur Verfügung gestellt: „Beim Kontakt mit Nafion bilden die Mangan-Komplexe Nanopartikel aus Manganoxiden“, sagt Spiccia: „Diese Oxide katalysieren bei Lichteinfall die Oxidation von Wasser, also die Reaktion, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Der Wasserstoff kann als Energieträger gespeichert werden.“

„Wir wollten nun herausfinden, welcher der zahlreichen möglichen Mangan-Komplexe in Nafion die besten Manganoxide bildet“, beschreibt die bei den Versuchen federführende Wissenschaftlerin Munirah Khan von der Freien Universität Berlin ihre Aufgabe. Gefördert vom DAAD und von der pakistanischen „Higher Education Commission“ hat Frau Khan die Bildung der Manganoxide und ihre katalytische Wirkung mit Röntgenlicht der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II des HZB genau untersucht. Zum Einsatz kam eine als RIXS bezeichnete Methode, mit der sich die an den Katalyseprozessen beteiligten Manganoxide sehr genau untersuchen lassen.

Von den verschiedenen Mangan-Komplexen erwies sich ein von den Wissenschaftlern als Mn(III) bezeichneter Komplex als Bildner der effizientesten Manganoxide. „Wir entwickeln jetzt unsere Methoden so weiter, dass wir katalytische Prozesse mit solchen neuen Materialien in Bezug auf ihr energetisches und zeitliches Verhalten untersuchen können“, sagt Emad Aziz: „Unser Ziel ist es, synthetisch arbeitenden Chemikern ein genaues Bild dieser Vorgänge zu geben, um so ihre Forschung zur Funktion der Materialien zu unterstützen. So muss man zum Beispiel herausfinden, ob und unter welchen Bedingungen die Materialien für technische Anwendungen genutzt werden können, so dass Licht in chemische Energie umgewandelt wird. Wenn dies gelingt, wären wir auf dem Weg zu einer kontinuierlichen, umweltfreundlichen und kostengünstigen Speicherung von Sonnenenergie ein wesentliches Stück weiter gekommen.“

hs


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Die Idee: Im Sommer wird Schmelzwasser in einem Modul aus Solarzellen und Katalysatoren in Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und Sauerstoff gespalten. Das H<sub>2</sub> wird gespeichert.</p>NACHRICHT      22.05.2019

    Energieversorgung in der Antarktis: Ist solarer Wasserstoff eine Alternative zu Erdöl?

    Volkswagenstiftung fördert Machbarkeitsstudie durch HZB-Experten für künstliche Photosynthese

    Auch am Südpol scheint die Sonne – im Sommer sogar fast rund um die Uhr. Forschungsstationen könnten im Sommer mit Sonnenlicht „solaren Wasserstoff“ produzieren und so auf Erdöl weitgehend verzichten. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, lässt sich gut speichern und bei Bedarf als Brennstoff nutzen, ohne die Umwelt zu belasten. Matthias May, HZB, und Kira Rehfeld, Uni Heidelberg, wollen nun überprüfen, ob  die solare Brennstofferzeugung in der Antarktis realisierbar ist. Das Projekt wird von der Volkswagenstiftung gefördert. [...]


  • <p>Bassi untersucht Materialsysteme, die als Photoelektrokatalysatoren die Wasserspaltung mit Licht erm&ouml;glichen.</p>NACHRICHT      20.05.2019

    Posterpreis für HZB Postdoc Prince Saurabh Bassi

    Auf dem "International Bunsen-Discussion-Meeting on Fundamentals and Applications of (Photo) Electrolysis for Efficient Energy Storage” erhielt Dr. Prince Saurabh Bassi den Posterpreis. Bassi ist Postdoc bei Prof. Sebastian Fiechter am HZB-Institut für Solare Brennstoffe.

    [...]


  • <p>Im Innovationslabor HySPRINT arbeiten HZB-Teams an neuen Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen.</p>NACHRICHT      16.05.2019

    Europäische Perowskit-Initiative EPKI gestartet

    Perowskit-basierte Solarzellen haben in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht und erreichen im Labormaßstab bereits Wirkungsgrade von 24,2% (Anfang 2019) in Single-Junction-Architekturen und bis zu 28% im Tandem mit kristallinem Silizium. Dies macht sie zu der Solartechnologie, die sich bis heute am schnellsten entwickelt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat in den letzten Jahren mit dem HySPRINT Projekt und der Rekrutierung talentierter Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler eine erhebliche Forschungskapazität im Bereich Perowskit-Materialien aufgebaut und beteiligt sich an der nun gestarteten Europäischen Perowskit-Initiative EPKI. [...]




Newsletter