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Künstliche
Katalysatoren ahmen das Prinzip der Photosynthese nach.
Grafik: HZB
HZB-Forscher beschreiben
effizienten Mangan-Katalysator für die Umwandlung von Licht in chemische
Energie
Presseportal für Hochbegabung 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.“
Weitere Information:
Prof. Dr. Emad Aziz
Institute “Methods for Material
Development”
Tel : +49 (0)30 8062-15003
Pressestelle
Hannes Schlender
Tel.: +49 (0)30-8062-42414
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