Wie der erste Schritt das (wässrige) Ergebnis bestimmt

28.06.2010: Energie aus Wasserstoff - an dieser Lösung zur Überwindung der Energiekrise arbeiten Wissenschaftler weltweit und versuchen u. a., das Sonnenlicht als Triebkraft für die Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff zu nutzen. Bei der Nachbildung der Photosynthese im Labor ist jetzt ein Team aus Wissenschaftlern der Universitäten Jena und Erlangen-Nürnberg sowie vom Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena einen großen Schritt vorangekommen. Die Physiker und Chemiker konnten in ihren Versuchen nachweisen, dass der erste Schritt bereits die Effizienz der Wasserstoffbildung bestimmt. „Das ist so, als wenn man durch das Umdrehen des Zündschlüssels im Auto bereits über das Ziel entscheidet“, verdeutlicht PD Dr. Michael Schmitt vom Institut für Physikalische Chemie (IPC) der Universität Jena. Wissenschaftlich formuliert: „Der Franck-Condon-Punkt muss so gestaltet werden, dass schon der initiale Elektronentransferprozess in Richtung des katalytisch aktiven Zentrums erfolgt.“

Die Wissenschaftler setzen bei ihren Versuchen zur effizienteren Energieumwandlung auf chemische Photokatalysatoren (sog. PMDs). Licht wird dabei genutzt, um Elektronen gezielt von einer Untereinheit dieses Moleküls zu einer anderen springen zu lassen oder über eine Ligand genannte „Brücke“ zu transportieren.

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 wechselt, dessen Kern ein Palladiumatom bildet. An diesem Metallzentrum wird schließlich Wasserstoff gebildet. Entgegen der perfekten Natur gelangen im Laboraufbau noch nicht alle Elektronen vom Ruthenium auf das Palladiumzentrum, einige wählen „Abzweigungen", geraten in „Kreisverkehr“ oder „Sackgassen“ und gehen damit für die Reaktion verloren. „Mit Hilfe der Resonanz-Raman-Spektroskopie konnten wir beobachten und sehen, wohin das Elektron nach Lichtanregung springt", beschreibt Prof. Dr. Jürgen Popp, Direktor von IPC und IPHT. „Wir konnten dadurch ein neues Syntheseparadigma für solche Photosynthesekomplexe entwickeln“, ergänzt Michael Schmitt.

Das Forscherteam konnte nachweisen, dass die Effektivität der Wasserstofferzeugung durch die Wellenlänge des Lichtes verändert wird. Sie ist umso effizienter, je roter das Licht ist, das zur Anregung verwendet wird - Licht von einer Wellenlänge von 550 nm ist optimal. „Je roter das Licht, umso mehr Elektronen gehen zum Brückenliganden, der das Ruthenium mit dem Palladium verbindet“, erklärt Schmitt. Außerdem entscheidet der erste Schritt bei einer Absorption eines Liganden darüber, wohin das Elektron geht und damit, wie effektiv die Energiegewinnung ist.

„Durch diese Erkenntnisse können wir gezielt Barrieren aufbauen, damit die Elektronen nicht vom ,rechten Weg' abkommen, sondern ausschließlich beim Palladium landen", weist Prof. Popp auf das Anwendungspotenzial dieser Grundlagenforschung. Im Labor lag bei ersten Versuchen die Wasserstoffgewinnung um das vierfache über den früheren Werten, aber noch weit unter der notwendigen Rate. Nun liegt es an den Chemikern, wie dem beteiligten Prof. Dr. Sven Rau, die molekularen Katalysatorenkomplexe so zu optimieren, dass „keine Elektronen mehr vom terminalen Liganden aufgenommen werden“, erläutert Schmitt.

Noch, das wissen die Wissenschaftler, ist es ein weiter Weg, die Photosynthese der Natur korrekt und effizient nachzuahmen. „Aber wir sind dank unserer spektroskopischen Analyseverfahren einen guten Schritt auf diesem Weg weitergekommen“, ist sich Prof. Popp sicher.

Originalveröffentllichung: Stefanie Tschierlei, Michael Karnahl, Martin Presselt, Benjamin Dietzek, Julien Guthmuller, Leticia González, Michael Schmitt, Sven Rau und Jürgen Popp; „Photochemisches Schicksal: Der erste Schritt bestimmt die Effizienz der H2-Bildung mit einem supramolekularen Photokatalysator“; Angewandte Chemie 2010, 122, 4073-4076