Wissenschaftler des Weizmann Instituts entwickeln einen einzigartigen Weg zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff

Professor David Milstein Weizmann Institute of Science. Bild: Weizmann Institute of Science

Die Entwicklung eines effizienten künstlichen Katalysators, mit dessen Hilfe durch Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden kann, ist ein Hauptziel in der Erforschung sauberer, erneuerbarer Energiequellen. Wissenschaftler vom Weizmann Institut haben ein neues Verfahren entwickelt, bei dem in mehreren Einzelschritten und ohne Zusatz von schädlichen Chemikalien Wasser durch Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird.

Die Entwicklung eines effektiven, mit Sonnenlicht angetriebenen Systems zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gehört heute zu den wichtigsten Herausforderungen der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere mit Hinblick auf das Langzeitpotenzial von Wasserstoff als sauberen, umweltfreundlichen Treibstoff. Die existierenden künstlich entwickelten Systeme sind sehr ineffizient und benötigen zumeist den Einsatz zusätzlicher chemischerWirkstoffe, weshalb die Entwicklung neuer Methoden zur Aufspaltung von Wasser so wichtig ist.

Prof. David Milstein und seine Kollegen vom Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut haben einen einzigartigen Ansatz entwickelt, der wichtige Stufen zur Bewältigung dieser Herausforderung bietet. Das Forschungsteam konnte eine neue Art der Bindungsentstehung zwischen Sauerstoffatomen nachweisen und sogar ihren Mechanismus bestimmen. Den Flaschenhals beim Aufspaltungsprozess von Wasser stellt eigentlich die Erzeugung von Sauerstoffgas durch die Formation einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen aus Wassermolekülen dar. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Science veröffentlicht.

Die Natur hat einen anderen Weg eingeschlagen und dabei ein sehr produktives Verfahren entwickelt: die Photosynthese in den Pflanzen ist die Quelle allen Sauerstoffs auf der Erde. Obwohl es deutliche Fortschritte im Verständnis der Photosynthese gegeben hat, ist noch immer unklar, wie dieses System funktioniert; weltweit bemüht man man sich intensivst - jedoch ohne große Erfolge - um die Entwicklung eines künstlicher photosynthetischer Systeme, welche auf Metallkomplexen basieren, die als Katalysatoren dienen. (Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion steigern kann, ohne selbst verbraucht zu werden.)

Der neue Ansatz des Weizmann-Teams unterteilt sich in eine Serie von aufeinanderfolgenden thermalen und durch Licht beeinflussten Reaktionen, die zur Freilassung von Wasserstoff und Sauerstoff in Stufen führen. Die Reaktionen werden durch einen einzigartigen Zusatz katalysiert: ein besonderer Metallkomplex, den das Milstein-Team in vorherigen Forschungsstudien entwickelte. Darüber hinaus ist der von ihnen entworfene Metallkomplex, der auf dem Element Ruthenium beruht, ein "schlauer" Komplex, in dem das Metallzentrum und der angeheftete organische Teil bei der Aufspaltung des Wassermoleküls zusammenwirken.

Das Team fand heraus, dass beim Vermischen des Komplexes mit Wasser, die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül aufbricht, wobei das Wasserstoffatom sich an den organischen Teil anbindet, während das verbliebene Wasserstoff- und Sauerstoffatom (OH-Gruppe) sich an das Metallzentrum des Komplexes binden.

Diese modifizierte Version des Komplexes stellt die Grundlage für den nächsten Abschnitt in dem Verfahren dar: der "Heizabschnitt". Wenn die Wasserlösung auf 100 Grad Celsius erhitzt wird, wird das Wasserstoffgas aus dem Komplex freigelassen (eine potenzielle Quelle für sauberen Treibstoff ) und eine weitere OH-Gruppe wird dem Metallzentrum hinzugefügt.

"Aber der interessanteste Abschnitt ist der dritte, der "Lichtabschnitt"," sagt Milstein. "Wenn wir diesen dritten Komplex bei Zimmertemperatur dem Licht aussetzten, wird nicht nur Sauerstoffgas produziert, sondern der Metallkomplex fällt zurück in seinen Ursprungszustand und läßt sich dann für weitere Reaktionen wieder verwenden."

Diese Ergebnisse sind deshalb so bemerkenswert, weil die Erzeugung einer Bindung zwischen zwei Sauerstoffatomen durch einen künstlich hergestellten Metallkomplex ein sehr seltenes Ereignis ist und bisher unklar war, wie dies überhaupt geschieht. Auch haben Milstein und sein Team es geschafft, einen bisher unbekannten zugrundeliegenden Mechanismus solcher Verfahren zu identifizieren. Weitere Experimente haben gezeigt, dass in diesem dritten Abschnitt Licht die notwendige Energie bietet, um die beiden OH-Gruppen zusammen zu bringen, die dann Wasserstoffperoxid (H2O2) bilden, dass schnell in Sauerstoff und Wasser auseinander bricht. "Weil Wasserstoffperoxid als ein relativ instabiles Molekül bekannt ist, haben Wissenschaftler diesen Abschnitt stets mißachtet und als implausibel erachtet; aber wir haben das Gegenteil bewiesen," sagt Milstein. Darüber hinaus hat das Forschungsteam gezeigt, dass die Anbindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen in einem einzigen Molekül entsteht - und nicht zwischen den Sauerstoffatomen in separaten Molekülen, wie bisher angenommen - und dass sie von einem Metallzentrum ausgeht.

Die Entdeckung eines effizienten künstlichen Katalysators für die von Sonnenlicht angetriebene Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff ist ein Hauptziel der Erforschung erneuerbarer, sauberer Energie. Bisher hat Milsteins Team einen Mechanismus für die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser vorgeführt, mit Hilfe von Licht und ohne den Einsatz eines chemischen Wirkstoffs. Für ihre nächste Studie planen sie diese Abschnitte miteinander zu verbinden, um ein effektives Katalysatorsystem zu schaffen, das die Erforschung alternativer Energien einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer praktischen Anwendung voranbringen soll.

An der Forschungsarbeit waren der ehemalige promovierte Student Stephan Kohl, Doktorand Leonid Schwartsburd und der Labortechniker Yehoshoa Ben-David, die alle dem Fachbereich Organische Chemie angehören, sowie die Wissenschaftler Lev Weiner, Leonid Konstantinovski, Linda Shimon und Mark Iran von der Abteilung Chemical Research Support beteiligt.

Prof. David Milsteins Forschungsarbeit wird finanziert vom Mary and Tom Beck-Canadian Center for Alternative Energy Research und dem Helen and Martin Kimmel Center for Molecular Design.

Quelle: Informationsdienst Wissenschaft e.V.