H₂O-Spalterei Farbiges Licht bringt günstigen grünen Wasserstoff

Forschende am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) spalten per Licht aus einem Wasser-Katalysator-Mix Wasserstoff ab. Das könnte die Gewinnung des alternativen Energieträgers revolutionieren.

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Leibniz-Institut für Katalyse e.V.

Die Natur macht es uns eigentlich schon lange vor, eröffnen die Forschenden ihren Bericht. Denn grüne Pflanzen speichern Sonnenenergie, indem sie mithilfe von Licht und ihren Chloroplasten Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Die Forschung reize das, auf ähnliche Weise an Wasserstoffgas (H₂) zu kommen, denn „grün“ produziert gilt es Erfolgsfaktor einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffwirtschaft.

Jacob Schneidewind vom Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse hat deshalb im Rahmen seiner Dissertation einen Weg dorthin aufgezeigt. Er deckte den Mechanismus einer neuen Art der Wasserspaltung auf, mit der die Photolyse günstig möglich werden kann. Der Bericht darüber erschien im Fachmagazin Energy & Environmental Science.

Es braucht „nur“ Wasser, eine Lichtquelle und einen Katalysator

Grüner Wasserstoff lässt sich auf unterschiedliche Weise gewinnen. Technisch bedeutend ist (noch) die Elektrolyse mittels Katalysator und nachhaltiger Elektrizität, die von Wind oder Sonne stammt. Eleganter, einfacher und vielleicht billiger wäre die Photolyse, bei der das Sonnenlicht mithilfe eines Katalysators direkt die Wasserspaltung bewirkt – ohne Umweg über Strom aus Wind- oder Solaranlagen. Unter dem Stichwort „künstliche Photosynthese“ erkundet die Chemie deshalb diese lichtbasierte Alternative intensiv, heißt es.

Schon vor 12 Jahren berichtete ein Team vom israelischen Weizmann-Institut im Science-Magazin, über eine chemischen Reaktion, bei der ein neuartiger Katalysator per Licht Wasser spaltet. Doch niemand habe verstanden, wie das funktioniert. Klar war nur, dass dies Art der Wasserspaltung völlig neu war. Mit der natürlichen Photosynthese sei sie auch kaum vergleichbar. Über die Methoden zur Wasserspaltung gab es also viel Neues zu lernen. Das tat Schneidewind und studierte die Originalreaktion der israelischen Kollegen mittels Wasser, einer Lichtquelle und dem Katalysator aus Ruthenium, mit dem Ziel, die Abläufe auf molekularer Ebene aufzuklären und die Prozesse am Rechner zu simulieren.

Vier Hürden mussten genommen werden

Wir erinnern kurz an den Bio-Unterricht in der Sekundarstufe: Bei der Photolyse in grünen Pflanzen entstehen aus jeweils zwei H₂O-Molekülen ein Sauerstoffmolekül (O₂) sowie exakt vier Protonen des Wasserstoffs (H+) und vier Elektronen (e-). Schneidewind erläutert: „Die Energie, um die vier Elektronen freizusetzen, stammt auch von genau vier absorbierten Lichtteilchen – also Photonen. Um genügend Photonen zu gewinnen, benutzt die Natur mehrere absorbtionsfähige Zentren.“

Man könne sich die Reaktion wie einen energetischen Hürdenlauf vorstellen, beschreibt der Wissenschaftler: „Bis zum Ziel, also der Wasserspaltung, sind damit insgesamt vier Hürden zu überwinden. Scheitert man auch nur bei einer, misslingt die Photolyse – zumindest für diesen Molekülverbund.“ Soweit zunächst zum natürlichen Prozedere.

Die Natur lässt sich nicht überall hineinschauen

Im Labor am Weizmann-Institut erfolgte die Photolyse aber nicht an mehreren absorbierenden Zentren, sondern nur an einem einzigen Punkt. „Das ist merkwürdig“, erinnert sich der heutige Dr. Schneidewind. Denn dass ein katalytisches Zentrum allein vier Photonen absorbieren würde, sei extrem unwahrscheinlich. Ebenso wenig würde die Energie eines einzelnen Photons ausreichen, um alle vier Hürden zu überspringen. Dafür gab es keine sinnvolle Erklärung.

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Als Doktorand arbeitete sich Schneidewind in die Quantenchemie und die Kinetik chemischer Reaktionen ein, mit deren Hilfe er Reaktionen am Rechner modellieren konnte. Im Labor baute er das israelische Experiment mit wechselnden Lichtquellen nach. Das verwendete Lichtspektrum reicht dabei vom kurzwelligen, also energiereichen, blauen Licht bis zum relativ energiearmen Rot. Kollegen an der Universität Rostock kümmerten sich um die Analysen, mittels Hochgeschwindigkeitsspektroskopie, heißt es weiter.

Warum vier Hürden nehmen, wenn zwei reichen?

„Es hat uns alle überrascht zu sehen, was da im System geschieht“, betont Schneidewind. Denn tatsächlich kommt der photokatalytische Weg zum Wasserstoff mit zwei Photonen aus, statt mit üblicherweise vier. Und sowohl die Absorption der Photonen als auch die eigentliche Spaltungsreaktion laufen an einem einzigen Zentrum ab, welches aus einem Paar von Rutheniumatomen besteht. Der Forscher erklärt: „Wenn das erste Photon seine Hürde genommen hat, entsteht eine neue Verbindung, die das zweite Photon absorbiert. Und diese benötigt für die zweite Hürde auch noch weniger Energie, als für die erste Hürde nötig war.“ Das erlaubt es, eine größere Bandbreite des Lichts nutzen. Dadurch werde die Effizienz des Prozesses deutlich verbessert.

Tolle Sache, aber was kann man damit jetzt anfangen?

Strukturell scheine alles aufgeklärt. Was heißt das nun für die Praxis? Schneidewind: „Man könnte etwa durchsichtige Plastikschläuche mit einer Suspension oder Lösung aus Wasser und Katalysator füllen und großflächig der Sonne aussetzen.“ Das wäre, mit dem richtigen Katalysator, drei- bis viermal günstiger, als die Kombination von Solarzellen und Elektrolyseur. Einen geeigneten Katalysator dafür plant Jacob Schneidewind ab Herbst mit einer eigenen Nachwuchsgruppe an der RWTH Aachen zu entwickeln, wohin er übrigens nach seiner Promotion am LIKAT gewechselt ist.

Nachhaltige Energie-Konzepte gehen unter anderem davon aus, künftig grünen Wasserstoff in sonnenreichen Regionen zu produzieren und nach Europa zu importieren. Das Wissen aus dem LIKAT kann dabei helfen, entsprechende Verfahren zu entwickeln, heißt es abschließend.

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