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 mithilfe 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.
«Diese Entwicklung stösst das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zukunft der chemischen Industrie auf.»
Sven Rau
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.
Die «Brücke» ist matchentscheidend
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). Mithilfe 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 biologisch bedeutsamen 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 mithilfe 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.
Andrea Weber-Tuckermann, Universität Ulm
