Solargetriebene Katalysatoren erhöhen Effizienz

Mit Sonnenlicht die Chemie-Industrie nachhaltiger machen…

Einem Forschungsteam der Universitäten Ulm und Jena ist es gelungen, die Entwicklung solargetriebener Katalysatoren entscheidend voranzutreiben. Ihre optimierten Photokatalysatoren sind effektiver als herkömmliche thermische Katalysatoren und legen damit einen Grundstein für die nachhaltige Nutzung regenerativer Energien in der Chemie-Industrie. Der Vorteil: Für eine Umstellung der Prozesstechnik auf sonnenbasierte Verfahren braucht es keine großen Investitionen.

Rund 80 Prozent aller Chemieerzeugnisse werden mit Hilfe katalytischer Prozesse hergestellt. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen oder bringen diese erst in Gang, indem sie die sogenannte Aktivierungsenergie senken. Diese Aufgabe übernehmen häufig thermische Katalysatoren, deren Einsatz gekoppelt ist an den Verbrauch fossiler Energien. Doch auch das Licht der Sonne lässt sich für katalytische Prozesse effektiv nutzen. Den Beweis dafür haben kürzlich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Jena erbracht. Ihnen ist es gelungen, einen sonnenlichtgetriebenen Photokatalysator so zu optimieren, dass dieser schneller und effizienter als ein konventioneller thermischer Katalysator arbeitet. „Diese Entwicklung stößt das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zukunft der chemischen Industrie auf“, so Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm.

Der Ulmer Chemiker hat gemeinsam mit seinem Jenaer Kollegen Professor Benjamin Dietzek-Ivanšić eine Studie koordiniert, die die Leistungsfähigkeit von Photokatalysatoren eindrucksvoll demonstriert. „Wir konnten zeigen, dass das Design des Katalysators eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der ablaufenden Lichtreaktion spielt – aber nicht für die thermische Reaktion“, erklärt Dietzek-Ivanšić, der am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena forscht und im Leibniz-Institut für Photonische Technologien die Forschungsabteilung Funktionale Grenzflächen leitet. Der untersuchte Photokatalysator besteht aus drei chemisch aktiven Bauteilen: einem Zentrum für die Aufnahme der Lichtenergie, einer Brücke und einem Katalyse-Zentrum. „Erstaunlicherweise stellte sich in den Experimenten heraus, dass insbesondere der Aufbau der Brücke einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz des Katalysators hat“, bestätigen die Erstautoren der Untersuchung Dr. Linda Zedler (Uni Jena) und Pascal Wintergerst (Uni Ulm). Mit Hilfe chemischer Synthesen, katalytischer Untersuchungen und ultraschneller Spektroskopie konnte das Forschungsteam die ablaufenden Prozesse im Detail aufklären.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, dass sich solche solargetriebenen Photokatalysatoren eignen, um aus energiearmen Ausgangsstoffen energiereiche, qualitativ hochwertige Reaktionsprodukte zu erzeugen. Kommen konventionelle thermische Katalysatoren zum Einsatz, braucht es dagegen energiereichere Ausgangsstoffe, um vergleichbare Reaktionen zu ermöglichen.

Nachweis an biotechnologisch bedeutendem Beispiel

Den Nachweis hierfür erbrachten die Chemikerinnen und Chemiker für ein Anwendungsbeispiel mit großem biotechnologischen Potenzial: der Wasserstoffanlagerung (Hydrierung) an Nikotinamid, wodurch ein energiereiches Molekül mit umfassenden Einsatzmöglichkeiten entsteht. Die organische Verbindung Nikotinamid ist ein zentraler Bestandteil von Nikotinamidadenindinukleotid (NAD+ bzw. NADH). Dieses Coenzym ist in lebenden Zellen an zahlreichen Redoxreaktionen des Stoffwechsels beteiligt. Für die Forschenden ist die photokatalytisch vermittelte Hydrierung von Nikotinamid ein sichtbarer Beleg, dass sich solare Chemie und biotechnologische Anwendungen bestens koppeln lassen.
Mit den Bauplänen für zukünftige solargetriebene Katalysatoren, die das Forschungsteam in dieser Studie etabliert hat, liefern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darüber hinaus grundlegende Erkenntnisse, wie sich die Energie des Sonnenlichtes effizient in chemische Bindungsenergie umwandeln und als solche speichern lässt. Dieser Prozess ist zentral für die Nutzung von Solarenergie nach dem Vorbild der Natur.

„Grundsätzlich hat das Forschungsprojekt aber eben auch gezeigt, dass sich katalytische Prozesse mit Hilfe optimierter Photokatalysatoren auf eine solare Grundlage stellen lassen – und zwar mit einem Gewinn an katalytischer Effizienz“, versichern die Forschenden. Großinvestitionen in der Chemie-Industrie sind dafür nicht nötig. Denn Stoffströme könnten beibehalten werden, und die technologische Basis der chemischen Prozesstechnik ließe sich ohne Probleme weiternutzen. Dies wäre ein wegweisender Schritt für die chemische Industrie, um nachhaltiger zu werden und unabhängiger von fossilen Brennstoffen.

Gefördert wurde das Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs (SFB) 234 CataLight der Universitäten Ulm und Jena. Der SFB wurde Ende Mai für weitere vier Jahre verlängert und wird dafür mit 12 Millionen Euro ausgestattet. Das Ziel von CataLight ist es, nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese Sonnenlicht für eine klimafreundliche Energieversorgung zu nutzen. Weitere Fördermittel kommen aus Doktorandenprogrammen der Studienstiftung des Deutschen Volkes und dem Fonds der Chemischen Industrie.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I, Universität Ulm, E-Mail: sven.rau@uni-ulm.de

Originalpublikation:

Linda Zedler, Pascal Wintergerst, Alexander K. Mengele, Carolin Müller, Chunyu Li, Benjamin Dietzek-Ivanšić & Sven Rau. Outpacing conventional nicotinamide hydrogenation catalysis by a strongly communicating heterodinuclear photocatalyst. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-022-30147-4

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