Star Wars im Reagenzglas
Neue Erkenntnisse zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff
Wasserstoff ist aufgrund seiner hohen Energiedichte ein hervorragender Energiespeicher und Fahrzeuge mit verbauten Brennstoffzellen gelten als ernstzunehmende Alternative zu batteriebetriebenen Autos. Zwar ist das einzige Nebenprodukt der Brennstoffzelle Wasser, doch bei der Wasserstoffherstellung entstehen womöglich Treibhausgase. Eine umweltschonende Alternative ist die photokatalytische Wasserspaltung. Für den massenhaften Einsatz muss dieses Verfahren allerdings noch stark verbessert werden. In der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ stellen Forscher aus Ulm, München und Kaiserslautern eine effiziente Methode zur Charakterisierung wasserspaltender Katalysatoren vor.
Photoreaktor zur Charakterisierung der photokatalytischen Wasserstoffherstellung
Elvira Eberhardt/Uni Ulm
Wasserstoff hat das Zeug zum Energieträger der Zukunft: Allein bis 2019 stellt beispielsweise die Bundesregierung eine Viertelmilliarde Euro zur Verfügung, um Wasserstoffautos massentauglich zu machen. Denn was Reichweite und Betankungsdauer angeht, können diese Fahrzeuge durchaus mit Benzinern konkurrieren. Zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff durch Photokatalyse forscht eine interdisziplinäre Gruppe um Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm. Bei dieser Form der künstlichen Photosynthese wird Wasser mithilfe von Sonnenenergie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt: Ein spezieller Metallkomplex – im verwendeten Modell aus Ruthenium – dient als Lichtfänger. Das Ruthenium gibt daraufhin ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum aus Platin oder Palladium springt. An diesem Zentrum wird dann Wasserstoff hergestellt. Für die massenhafte technische Nutzung sind bisherige Photokatalysatoren jedoch nicht aktiv genug.
Bei den Kollegen der Technischen Universität Kaiserslautern hat die Ulmer Forschergruppe ein Verfahren genutzt, das die Charakterisierung von wasserspaltenden Photokatalysatoren um ein Vielfaches beschleunigt und vereinfacht. Unterstützung in der Theorie erhielten die Forschungsgruppen dabei von Dr. Maxim Gelin von der TU München, der wichtige Simulationen zur Interpretation der experimentellen Daten beitrug. „Früher hat eine Reihe solcher Untersuchungen bis zu zehn Jahre gedauert. Jetzt können wir innerhalb von Tagen wichtige Eigenschaften eines Photokatalysators bestimmen, und so auch Hinweise auf Optimierungspotentiale erhalten“, erklärt Professor Sven Rau. Herzstück des Versuchsaufbaus ist eine Ionenfalle in einem so genannten Massenspektrometer. „In der Gasphase werden die Katalysatormoleküle auf einer Kreisbahn gehalten und stetig mit energiereichen und ultrakurzen Laserpulsen beschossen, wobei die Moleküle einzelne Bestandteile verlieren. Dadurch lässt sich das Springen der Elektronen verfolgen und wir gewinnen gleichzeitig Informationen zur Stabilität des Photokatalysators“, erklären Rau und PD Dr. Christoph Riehn von der TU Kaiserslautern, die das Verfahren mit „Star Wars im Reagenzglas“ vergleichen. Anhand der untersuchten Modell-Photokatalysatoren konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die aus der Lösung bekannte Stabilität auch in der Gasphase existiert. Dafür haben sie in den letzten zehn Jahren gewonnene Daten mit den aktuellen Ergebnissen abgeglichen. Zudem fanden sich Hinweise auf ein ultraschnelles Springen von Elektronen von dem photochemischen Triebwerk, in diesem Fall ein Rutheniumkomplex, zum katalytischen Reaktionszentrum, einem Platinkomplex. Somit konnte die Forschergruppe die Funktionalität des neuen Verfahrens anhand detailliert untersuchter Modellkatalysatoren nachweisen.
Die Vorteile sind zahlreich: Der Materialaufwand ist ebenso geringer wie der Anspruch an die Reinheit der Katalysatoren. Zudem lassen sich sehr viele Eigenschaften in einem Schritt bestimmen. „Die Entwicklung neuer molekularer Energiematerialien wird in Zukunft schneller und effizienter werden. Bisher haben wir mit einem Schäufelchen gearbeitet, jetzt besitzen wir einen Bagger“, erläutert Rau, dessen Institut unzählige Katalysatoren hergestellt und charakterisiert hat. Die Arbeitsgruppe um PD Dr. Christoph Riehn, darunter Doktorand Dimitri Imanbaew, vom Fachbereich Chemie der TU Kaiserslautern hat die physikalische Methode zur Verfügung gestellt. Sie besteht aus einer Kombination von Massenspektrometrie und Femtosekunden-Laserspektroskopie. Entwickelt haben die Kaiserslauterer Physikochemiker dieses Verfahren im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 88 („Kooperative Effekte in homo- und heterometallischen Komplexen“, 3MET). Als nächsten Schritt wollen die Chemiker alternative, weniger seltene Materialien für das Photoreaktionszentrum finden. Derzeit ist Eisen ein vielversprechender Kandidat. Zudem funktioniert die Wasseroxidation noch nicht. „Bis wir umweltfreundlichen Wasserstoff als Massenprodukt auf diese Weise herstellen können, wird es noch Jahrzehnte dauern. Doch schon jetzt beschleunigt unser neues Verfahren die Suche nach alternativen Energiequellen“, resümiert Rau.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Diese Produkte könnten Sie interessieren
HPR-20 OEMS, Online Electrochemical Mass Spectrometer von Hiden Analytical
Online-Überwachung und Quantifizierung freigesetzter Gase und Dämpfe aus elektrochemischen Prozessen
Eine komplette Gasanalyselösung, die sich nahtlos in elektrochemische Anwendungen integrieren lässt
PlasmaQuant MS Elite von Analytik Jena
Massenspektrometer für hochempfindliche Forschungsanwendungen und niedrigste Nachweisgrenzen
Die Erfolgsformel in der LC-ICP-MS – PlasmaQuant MS-Serie und PQ LC
IonTamer ToF MS von Spacetek Technology
IonTamer-Instrumente sind Flugzeit-Restgasanalysatoren (TOF-RGA) für die Analyse von Gasen
Kompakter Flugzeit-Restgasanalysator (TOF-RGA) für die Prozessanalyse
isoprime precisION von Elementar Analysensysteme
Isotopenverhältnis-Massenspektrometer isoprime precisION
Das flexibelste und leistungsstärkste Isotopenverhältnis-Massenspektrometer aller Zeiten
BIOS ANALYTIQUE - Soluciones de Renting y Leasing para laboratorios von Bios Analytique
Ihr Spezialist für Vermietung und Leasing von Laborinstrumenten in Europa
Beim Finanzieren geht es nicht nur ums Geld verleihen - Es geht um Lösungen, die Wert schaffen
CATLAB Catalysis and Thermal Analysis von Hiden Analytical
Ein System zur Katalysatorcharakterisierung, kinetischen und thermodynamischen Messungen
Integriertes Mikroreaktor-Massenspektrometer für Reaktionstests, TPD/TPR/TPO und Pulschemisorption.
JEOL JMS-T2000GC AccuTOF GC-Alpha Time-of-Flight Mass Spectrometer von JEOL
Erleichterung im Laboralltag? Starten Sie mit AccuTOF GC-Alpha in eine neue Ära Massenspektrometrie!
Schluss mit fehlerhaften Hypothesen und unwirtschaftlichen Schleifen! Exakte Daten ohne Kompromisse!
Xevo TQ Absolute von Waters
Ein neues Tandem Quadrupol Massenspektrometer für Quantifizierung mit Absoluter Power
Absolute Performance, Effizienz, Produktivität und Vertrauen für Ihre anspruchsvollsten Verbindungen
Thermo Scientific TSQ Triple Quadrupole Mass Spectrometry Systems von Thermo Fisher Scientific
Zuverlässige Quantifizierung mit Triple-Quadrupol-LC-MS-Systemen
Massenspektrometrie-Systeme
Orbitrap Exploris GC Mass Spectrometer von Thermo Fisher Scientific
Orbitrap Exploris GC-MS – Vereinfachen Sie Ihre Analytik und nutzen Sie die neuen Möglichkeiten
Gerüstet sein für wechselnde Anforderungen, Betriebszeit maximieren und Laborkapazitäten erweitern
HPR-20 R&D von Hiden Analytical
Ein spezielles Triple-Filter-Massenspektrometer für den Labortisch zur Überwachung von entwickelten Gasen und Dämpfen
Bietet eine erhöhte Auflösung und Empfindlichkeit mit einer Nachweisgrenze von bis zu 5 ppb
NexION® 5000 von PerkinElmer
NexION 5000 Multi-Quadrupole ICP Mass Spectrometer
NexION 5000 Multi-Quadrupole ICP Mass Spectrometer
expression® Compact Mass Spectrometer von Advion Interchim Scientific
Massenspektrometrie schnell, einfach und direkt an der Bench durchführen
Finden Sie Ihre kompakte Analyse-Lösung für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase
TSQ 9610 GC-MS/MS von Thermo Fisher Scientific
TSQ 9610 GC-MS/MS - hervorragende Empfindlichkeit und Selektivität bei zuverlässiger Produktivität
Unnötige und ungeplante Ausfallzeiten vermeiden, Helium sparen und Produktivität maximieren
iCAP RQ single Quadrupole ICP-MS von Thermo Fisher Scientific
Robustes ICP-MS mit einfacher Bedienung und hoher Produktivität für die Routineanalytik
Eine komplette Multielement-Analyselösung für Hochdruchsatz-Routineanwendungen
iCAP TQ Triple Quadrupole ICP-MS von Thermo Fisher Scientific
Interferenzen überwinden, Nachweisgrenzen senken und Datenqualität verbessern
Leicht niedrigste Nachweisgrenzen auch bei anspruchsvollsten analytischen Anwendungen erreichen
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ermöglicht es uns, Moleküle aufzuspüren, zu identifizieren und ihre Struktur zu enthüllen. Ob in der Chemie, Biochemie oder Forensik – Massenspektrometrie eröffnet uns ungeahnte Einblicke in die Zusammensetzung unserer Welt. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Massenspektrometrie!
Themenwelt Massenspektrometrie
Die Massenspektrometrie ermöglicht es uns, Moleküle aufzuspüren, zu identifizieren und ihre Struktur zu enthüllen. Ob in der Chemie, Biochemie oder Forensik – Massenspektrometrie eröffnet uns ungeahnte Einblicke in die Zusammensetzung unserer Welt. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Massenspektrometrie!
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
