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Meldung vom: | Verfasser/in: Marco K?rner
Die Visualisierung zeigt, wie Farbstoffmoleküle in Wasser Licht absorbieren.
Illustration: ScienceBrushDamit Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht nachhaltig produziert werden kann, braucht es nicht nur ein effizientes Katalysatorsystem – letztendlich muss dieses auch günstig, gut verfügbar und ressourcenschonend sein. Ein Schritt in diese Richtung ist nun einem Team um die Chemikerin Prof. Dr. Kalina Peneva vom Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Universit?t Jena gelungen. In ihrer Forschungsarbeit entwickelte die Gruppe Farbstoffe, die ohne Metalle auskommen, einfach herzustellen sind und die absorbierte Lichtenergie auf einen Katalysator übertragen, der damit Wasserstoff produziert.
Innovative Farbstoffmoleküle
?Genauer gesagt absorbieren diese Farbstoffmoleküle Licht und wandeln dessen Energie in einen langlebigen angeregten Zustand innerhalb des Moleküls um“, erkl?rt Peneva. Sie vergleich diesen Vorgang mit der Fluoreszenz, wie man sie von Gegenst?nden oder Kleidungsstücken kennt, die unter Schwarzlicht hell leuchten. ?Allerdings geben unsere Farbstoffe die Energie nicht wieder als Licht ab“, schr?nkt sie ein. ?Stattdessen nutzen wir diese gespeicherte Energie, indem sie auf einen darauf abgestimmten Katalysator übertragen wird. Dieser erzeugt dann Wasserstoff aus Wasser.“
Kostengünstige und umweltschonende Katalysatoren
Katalysatorsysteme, die mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen, werden schon seit vielen Jahren entwickelt und erforscht, so auch im Sonderforschungsbereich CataLight?en der Deutschen Forschungsgemeinschaft, zu dem auch das Projekt von Kalina Peneva geh?rt. ?Das Besondere an unseren Farbstoff-Molekülen ist aber, dass sie ohne Metalle auskommen. Denn oftmals kommt in diesen Farbstoffen Ruthenium oder Osmium zum Einsatz – also Metalle, die rar und teuer sind. Und auch der von uns verwendete Katalysator nutzt anstelle von teuren Edelmetallen wie Platin oder Palladium deutlich günstigeres Kobalt“, erkl?rt Peneva.
Effizienz durch vereinfachte Synthese
Aber auch die Herstellung dieser nachhaltigen Farbstoffe ist vielversprechend: ?Was wir entwickelt haben, ist auch deshalb einzigartig, weil es eine einfache und effiziente Synthesemethode für diese Moleküle gibt, was die Skalierbarkeit des Prozesses enorm verbessert“, fügt die Chemikerin hinzu. ?Wir bilden den Farbstoff durch eine einfache sogenannte Kondensationsreaktion. Und da der Farbstoff als Feststoff ausf?llt, k?nnen wir ihn einfach durch Filtration aus dem Reaktionsgemisch abtrennen“, erg?nzt sie. ?Damit braucht es im Gegensatz zu vielen anderen Synthese-Ans?tzen keine teuren und aufw?ndigen Reinigungsschritte für das gewünschte Produkt.“
Interdisziplin?re Zusammenarbeit
Das Forschungsteam arbeitete innerhalb der Universit?t Jena eng mit der Gruppe von Benjamin Dietzek-Ivan?i? vom Institut für Physikalische Chemie zusammen und untersuchte systematisch verschiedene Varianten des Farbstoffs, um die optimale Konfiguration für die lichtgetriebene Katalyse zu finden. ?Wir haben nicht nur die Farbstoffe entwickelt, sondern auch deren Wechselwirkung mit dem Katalysator im Detail untersucht“, erkl?rt Prof. Peneva.
Die Ergebnisse, die das Team im Fachmagazin ?Journal of Materials Chemistry A“ ver?ffentlichte, sind vielversprechend: ?Obwohl wir nicht die h?chste Effizienz erreicht haben, sind die Ergebnisse sehr gut und zeigen vor allem ein gro?es Potenzial für praktische Anwendungen“, stellt sie heraus. ?Konkret machen wir das an der Turnover-Number, kurz: TON, fest. Diese Kennzahl gibt an, welche Menge an Wasser durch eine bestimmte Menge des Katalysators umgewandelt werden kann, bevor dieser seine Aktivit?t verliert. Und die Kennzahl ist mit circa 4.000 auf einem guten Wert“, erg?nzt sie.
Sie und ihr Team überlegen bereits, nun den Forschungstransfer mit m?glichen Industriepartnern anzugehen. ?Ob es dazu kommt, dass wir dieses Katalysatorsystem im industriellen Ma?stab herzustellen versuchen, kann ich zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht sagen“, schr?nkt Kalina Peneva ein. ?Aber es ist auf jeden Fall eine ?berlegung, die wir anstellen.“
Original-Publikation:
Gergely Knorr, Konrad Hotzel, Avinash Chettri, Artem Skabeev, Maria W?chtler Benjamin Dietzek-Ivan?i?, Kalina Peneva, “Unlocking the potential of ketocoumarins: efficient photosensitizers for sustainable light driven hydrogen evolution”, J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 23260–23269, DOI: 10.1039/D3TA04450EExterner Link