Photo-Wasserstoff Photo-Wasserstoff – Biomimetische künstliche Photosynthese zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser

Die Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar: „Vom praktischen Standpunkt aus müssen wir lernen, diese Reaktion effizient zu ermög-lichen, wenn wir je den Traum realisieren wollen, sauberen Treibstoff aus Sonnenlicht und Wasser zu erhalten und zwar in einem Ausmaß, das genügend Energie zur Verfügung stellt, um unseren Pla-neten anzutreiben“ (Zitat: R. Eisenberg und H. B. Gray, zwei führende US-Chemiker, 2008). Der Zugang des Antragstellers zu diesem Problem ist, sich zunächst auf die Produktion von Wasser-stoff zu konzentrieren. Dabei ist es natürlich keine Frage, dass als „Nebenprodukt“ auch Sauerstoff in welcher Form auch immer entstehen muss. Der Antragsteller hat bereits gezeigt, dass Chromo-phore mit langlebigen angeregten Zuständen bei Raumtemperatur, die das (Sonnen-) Licht auf-nehmen, auch in Kombination mit maßgeschneiderten, stabilisierend wirkenden Phosphinen möglich sind. Um nun in Richtung Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung erfolgreich sein zu können, müs-sen diese Chromophore mit Reduktionskatalysatoren gekoppelt werden. Es konnten bereits eine ganze Reihe heterodimetallischer Spezies, die für Reduktionskatalysatoren geeignete Metalle wie Platin, Palladium und Nickel enthalten, hergestellt werden. Weiters ist es in der Arbeitsgruppe des Antragstellers bereits gelungen, zwei Synthesebausteine, die als Chromophore dienen, mit einem reaktiven Metallzentrum wie Nickel(II) zu kombinieren. Das bedeutet, dass in diesem Molekül zwei Elektronen gleichzeitig von den Chromophoren zum reaktiven Metallzentrum übertragen werden können. Diese Zweielektronenreduktion ist aber für die Produktion des Wasserstoffmoleküls H2 unbedingt notwendig. Im Rahmen der Dissertation der VERENA-Preisträgerin (2. Platz) Frau Mag. Sylvia Eller wurde erst neulich ein wesentliches weiteres Problem gelöst. Um diese Art der Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff in großen Mengen erfolgreich durchführen zu können, müssen die beteiligten „Dyads“, die aus Chromophoren und Reduktionskatalysatoren bestehen, zweifellos wasserlöslich gemacht werden, ohne dass sie dabei ihre exzellenten photochemischen und photophysikalischen Eigenschaften verlieren. Durch geschickte Kombination von Synthesebausteinen konnte dies nun erreicht werden. Laufende Versuche in der Arbeitsgruppe des Antragstellers zeigen bereits, dass diese neue Verbindungsklasse in Wasser eine photochemische Reaktion zeigt. Bei geschickter Wahl der Reaktionsbedingungen soll bereits die photochemische Produktion von Wasserstoff gemessen werden. Damit sind die Ausgangslage, die Ziele und Inhalte des Vorhabens eindeutig festgelegt: mit Hilfe einer völlig neuen in der Arbeitsgruppe des Antragstellers entwickelten Verbindungsklasse ist als Ziel die Produktion von Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht geplant. Der Trend in der Wasserstoff-Technologie geht momentan in Richtung Wasserstoff-Brennstoffzelle. Nachdem diese bereits gut funktioniert, sollte man davon ausgehen, dass die Wasserstoff-Technologie eine Techno-logie der Zukunft ist. Damit bestünden hinsichtlich der positiven gesellschaftlichen Auswirkung einer billigen und erneuerbaren Wasserstoffquelle sicherlich keine Zweifel.

Ausgangssituation

Wasserstoff könnte der Energieträger der Zukunft werden [1]. Dies hat vorallem damit zu tun, dass bei seiner Verbrennung nur Wasser entsteht. Alle anderen kohlenstoffhaltigen Energie-träger wie Methan oder Methanol produzieren bei der Energiegewinnung Kohlendioxid. Dieses Treibhausgas führt zur Erderwärmung, die wenn sie zu schnell kommt eine globale Katastrophe auslösen könnte. Das Argument, dass Wasser ja auch ein Treibhausgas sei, stimmt deshalb nicht, weil das Gesamtvorkommen von Wasser auf der Erde seit Jahrmilliarden konstant ist. Sein natürliches Gleichgewicht hängt dabei lediglich von der Temperatur ab. Der große Unterschied z.B. zu Kohlendioxid besteht darin, dass Kohlenstoff in gebundener Form (Kohle, Erdöl, Erdgas) vorkommt und erst bei seiner Verbrennung in die Atmosphäre entweicht.

Trotzdem tritt bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger ein schwieriges Problem auf, denn Wasserstoff ist kein Rohstoff, der abgebaut werden könnte [2]. Herkömmliche Methoden, um Wasserstoff herzustellen, sind vorallem die Elektrolyse von Wasser und die Verwendung fossiler Kohlenwasserstoffverbindungen. Zweifellos stellt die Elektrolyse eine Möglichkeit dar, Spitzenstrom zu speichern, eine neue Methode zur Energiegewinnung ist sie aber nicht. Bei den Kohlenwasserstoffverbindungen bleibt die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas bestehen. Auch bei Verwendung von Methanol als Rohstoff für Wasserstoff müssten zuerst riesige Mengen Methanol hergestellt werden.

Im Bereich der Anorganischen Chemie bietet sich zur Lösung dieses Problems die „künstliche Photosynthese″ an, wobei der Zugang dazu interdisziplinär sein sollte. Es ist kein Wunder, dass ausgerechnet dieses Thema zu einem der meist gelesenen Artikel in der weltweit besten Zeitschrift für Anorganische Chemie geführt hat [3]. Mit Hilfe von Sonnenlicht wird dabei formal Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Idealerweise sollten keine Nebenprodukte entstehen, um die Umweltverträglichkeit zu gewährleisten. Es soll betont werden, dass die „künstliche Photosynthese″ nicht unbedingt die „natürliche Photosynthese″ perfekt nachahmen muss. So könnte z.B. der schwierige 4-Elektronenschritt der Wasseroxidation vereinfacht werden, indem der Elektronentransfer nur bis zur Peroxidstufe führt [4]. Um lediglich Wasserstoff zu gewinnen, könnte die Sauerstoffproduktion durch Zugabe von Donormolekülen auch vollständig unterdrückt werden. Diese Donormoleküle können Naturprodukte sein und auf diese Weise kostengünstig zum Einsatz kommen. Wichtig ist an dieser Stelle festzuhalten, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff wieder nur Wasser entsteht und so der Kreislauf geschlossen wird. Es muss aber klar gesagt werden, dass die „künstliche Photosynthese″ eine „Benchmark″ besitzt, die bei ca. 10% Energieumwandlung liegt. Erst dann könnte sie verglichen mit anderen Energiequellen konkurrenzfähig werden.                    

[1] Service, R.F., Science, Profile: Daniel Nocera2007, 315, 789.

[2] Balzani, V.; Credi, A.; Venturi, M., ChemSusChem2008, 1, 26–58.

[3] Zhang, P.; Jacques, P.-A.; Chavarot-Kerlidou, M.; Wang, M.; Sun, L.; Fontecave, M.; Artero, V., Inorg. Chem.2012, 51, 2115–2120.

[4] Kohl, S. W.; Weiner, L.; Schwartsburd, L.; Konstantinovski, L.; Shimon, L. J. W.; Ben-David, Y.; Iron, M. A.; Milstein, D., Science2009, 324, 74–77.