Chemiker haben ein neues, effektives Verfahren entwickelt, um molekularen Wasserstoff zu erzeugen, der zum Beispiel in Brennstoffzellen für Energie sorgen und ein Auto antreiben kann. Das Besondere an dem der Natur nachempfundenen Prozess: Die Reaktion läuft in einem einzigen Molekül ab.
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Die Wissenschaftler vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena um Sven Rau nutzen dabei Licht, um Elektronen gezielt von einer Untereinheit dieses Moleküls zu einer anderen springen zu lassen. Dadurch entsteht am Ende der Reaktion molekularer Wasserstoff. Der Forscher hat für diese Form der Energiegewinnung aus Licht in jahrelanger Synthesearbeit einen speziellen Katalysator entwickelt.
"Unser Vorbild ist die Natur, die uns in jedem grünen Blatt vormacht, mit welcher Effizienz man das Sonnenlicht zur Energiegewinnung nutzen kann", erläutert der Chemiker in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie". "Wir haben nun einen wichtigen Baustein gefunden, mit dem auch der Mensch diese Quelle in Zukunft mit einer hohen Ausbeute nutzen kann." Er hofft, dass Pkws eines Tages einen speziellen Molekülkomplex in ihrer Windschutzscheibe tragen und das darauf scheinende Sonnenlicht den Wasserstoff als Treibstoff für die Brennstoffzelle erzeugt.
Die Tatsache, dass die Jenaer den Prozess in einem einzigen Molekül ablaufen lassen können, ist deshalb so entscheidend, weil es erst dadurch möglich wird, die Reaktion weiter zu optimieren und so die höchstmögliche Energieausbeute zu erzielen. Das wird Rau in einem nächsten Arbeitsschritt in enger Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena (IPC) und dem Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) auf dem Jenaer Beutenberg unter Anwendung Laser-spektroskopischer und subtiler quantentheoretischer Methoden durchführen.
Metallkomplex als Antenne
Wie bei der Photosynthese hat der Prozess, den die Chemiker im Labor ablaufen lassen, zwei wesentliche Stationen: Ein spezieller Metallkomplex mit Ruthenium als ausschlaggebendem Bestandteil dient als Antenne, die das Licht einfängt. Das Ruthenium gibt daraufhin ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum springt, dessen Kern ein Palladiumatom bildet. An diesem Metallzentrum wird schließlich Wasserstoff gebildet.
In der Natur sind es die Blattfarbstoffe "Chlorophylle" und "Carotinoide", die als Lichtantennen dienen. Die Aufnahme der Lichtenergie versetzt sie in einen energiereichen angeregten Zustand. Sie geben diese Energie weiter, die damit als Triebkraft für eine Reihe von Reaktionen dient. An deren Ende wird aus Kohlendioxid Zucker gewonnen, aus dem die grünen Pflanzen ihre Energie beziehen. "Was wir der Natur bisher noch nicht abschauen konnten, ist die perfekte Zielgerichtetheit dieser Prozesse", erklärt Rau. "Es laufen nur diejenigen Reaktionen ab, die zur Energiegewinnung führen, Abweichungen gibt es nicht."
Weltrekord bei der Wasserstoffgewinnung
In seinem Laboraufbau dagegen springen noch nicht alle Elektronen vom Ruthenium auf das Palladiumzentrum über, einige wählen "Abzweigungen" und gehen damit für die Reaktion verloren. "Mit Hilfe der Spektroskopie werden wir diesen Prozess ganz genau beobachten können", beschreibt Professor Jürgen Popp, Direktor von IPC und IPHT, die Motivation für die Zusammenarbeit. "So können wir gezielt Barrieren aufbauen, damit die Elektronen nicht vom ,rechten Weg' abkommen, sondern ausschließlich beim Palladium landen."
Schon heute hält sein Kollege Rau den Weltrekord bei der Wasserstoffgewinnung mit einem Molekül – er erhält 56 Moleküle Wasserstoff pro Katalysatormolekül. Das ist im wahrsten Sinne des Wortes einsame Spitze, beherrschen weltweit doch nur zwei weitere Forschergruppen diesen Ansatz überhaupt. Physikochemiker Popp freut sich, dass bei der Optimierung des Molekülkomplexes die Universität Jena und das IPHT ein weiteres Mal erfolgreich zusammenarbeiten können.
Noch lassen die Jenaer Chemiker ihre Reaktionen in Laborgefäßen mit Flüssigkeit ablaufen, aus denen sie den Wasserstoff dann abpumpen. Doch sie arbeiten daran, den Katalysator so zu modifizieren, dass diese Reaktion dann zum Beispiel in Fensterscheiben ablaufen kann.
Außerdem soll in der Zukunft das heute noch notwenige Triethylamin durch andere Quellen ersetzt werden. "Wenn uns dies gelingt", so Chemiker Rau, "machen wir in der Energiegewinnung dann den entscheidenden Schritt: Weg von fossilen und nuklearen Energieträgern hin zur direkten Nutzung der natürlichen Quellen Sonnenlicht und Wasser."
(idw – Universität Jena, 02.10.2006 – DLO)
