Wasserstoff nach Wunsch

Bei der künstlichen Photosynthese wird mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt, um die Energie aus der Sonne effizient speichern zu können. Da die bisherigen Systeme jedoch viele Mängel aufweisen, wird weltweit an effizienteren Verfahren geforscht. Chemiker um Professor Bettina Lotsch vom Department Chemie der LMU und vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart konnten nun erstmals zeigen, wie sich eine neue Klasse poröser organischer Materialien dazu nutzen lässt, molekular maßgeschneiderte Photokatalysatoren für die licht-induzierte Wasserstoffentwicklung herzustellen. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Chemiker um Lotsch forschen unter anderem an sogenannten kovalenten organischen Netzwerken. „Solche zweidimensionalen Polymere verfügen über Eigenschaften, die für photokatalytische Prozesse wesentlich sind: Die Materialien sind kristalline und poröse Halbleiter, die sich zudem chemisch maßschneidern lassen“, sagt Bettina Lotsch. Sie werden bereits für die Speicherung von Gasen und als Sensoren untersucht, zudem haben sie Potenzial für Anwendungen in der Optoelektronik.

Effizienter und billiger Bettina Lotsch untersuchte mit ihrem Team in Zusammenarbeit mit Forschern um Professor Christian Ochsenfeld, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der LMU, am Beispiel einer Triphenylarylplattform, inwiefern sich die porösen Polymere für die Photokatalyse eignen. „Der Vorteil dieser Materialklasse ist, dass sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften nach Bedarf einstellen lassen“, sagt Dr. Vijay Vyas, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Dadurch konnten wir ihre Fähigkeit, Wasserstoff zu produzieren, gezielt verbessern. Ihre Leistungskraft ist mit denen etablierter Kohlenstoffnitrid- und Oxid-Photokatalysatoren vergleichbar.“ Die neu entwickelten Materialien sind über Azin-Brücken verbunden, sie haben eine zweidimensionale Grundstruktur und wurden auf Basis von Hydrazin und Trialdehyden synthetisiert.

Gegenüber Katalysatoren auf Metallbasis, die oft mit hohen Kosten verbunden und nur wenig modifizierbar sind, hat die neue Materialklasse einen entscheidenden Vorteil. „Da sich ihre Eigenschaften spezifisch molekular ändern lassen, lässt sich auch ihre Leistung gezielt verbessern“, sagt Frederik Haase aus der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch. Damit liefern die neu entwickelten Materialien beste Voraussetzungen, um auf ihrer Basis umweltfreundliche und preiswerte Photokatalysatoren entwickeln zu können.

„Wir konnten erstmals auf molekularer Ebene zeigen, dass sich die strukturellen, morphologischen und optoelektronischen Eigenschaften kovalenter organischer Netzwerke präzise daraufhin einstellen lassen, ihre photokatalytische Aktivität zu verbessern“, fasst Bettina Lotsch das Ergebnis zusammen. Die Grundlagenforschung der LMU-Chemiker könnte daher dazu beitragen, Solarenergie künftig effizienter zu nutzen als dies bislang möglich ist.(Nature Communications 2015)

Mehr zum Thema :Neuer Katalysator für die Wasserspaltung (vom 23.1.2013)