Grüner Wasserstoff nach dem Vorbild der Natur
Das Sonnenlicht als Quelle für die klimafreundliche Energieversorgung nutzen: Lange vor großen Initiativen wie dem europäischen „Green Deal“ oder der „nationalen Wasserstoffstrategie“ hat der Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB) CataLight mit der Entwicklung chemischer Solarenergiewandler begonnen. Das wichtigste Vorbild des Konsortiums von den Universitäten Ulm und Jena ist die natürliche Photosynthese. Nach vier erfolgreichen Jahren auf dem Weg zur dezentralen Erzeugung von grünem Wasserstoff wurde nun die Weiterfinanzierung des Transregio-SFBs beschlossen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB/Transregio 234 „Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien“ bis 2026 mit mehr als 12 Millionen Euro.
Großer Erfolg für die Universitäten Jena und Ulm: In den kommenden vier Jahren werden
interdisziplinär Forschende im Transregio-SFB CataLight die lichtgetriebene
Wasserspaltung weiter vorantreiben. Ein Schlüssel ist die Optimierung von
Katalysematerialien und -methoden. Frühere Systeme zur Umwandlung von
Sonnenlicht in chemische Energie waren nämlich relativ instabil: Durch die
Einbettung der lichtgetriebenen Katalysatormoleküle in weiche Materie ist es
dem Konsortium aus Chemie, Physik und Materialwissenschaften in der ersten
Förderphase gelungen, diesen Prozess zu stabilisieren und zu steuern.
Als Hauptziel des nun verlängerten Sonderforschungsbereichs sollen Grundlagen
für die effiziente Erzeugung von CO2-neutralem Wasserstoff auf dezentraler
Basis geschaffen werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und
reichen von der mobilen, solarbetriebenen Wasserstofftankstelle bis zur
klimafreundlichen Strom- und Wärmeversorgung von Wohnhäusern.
Erste Förderphase: Wasserstoffproduktion bei Dunkelheit und
Reparaturmechanismen
In der ersten Förderphase haben die SFB-Forschenden wichtige Schritte auf dem
Weg zur umweltfreundlichen Herstellung von solaren Brennstoffen gemacht. „Die
Forschungsgruppen an den Universitäten Ulm und Jena ergänzen sich perfekt.
Gemeinsam haben wir molekulare Bausteine für die Solarenergiewandlung
entwickelt, geprüft und verknüpft. Dabei konnten wir grundlegende
Erkenntnisse zum Aufbau von lichtgetriebenen Katalysatoren gewinnen, um eine
hocheffiziente Energiewandlung durchzuführen“, erklärt SFB-Sprecher
Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie
Ian der Universität Ulm.
Konkrete Erfolge der ersten Förderperiode reichen von der Entwicklung eines
kompakten Einzelmolekülkatalysators, der dank Lichtenergiespeicherung solaren
Brennstoff bei Dunkelheit produzieren kann, bis zu einem molekularen
Reparaturmechanismus für Photokatalysatoren. In Anlehnung an die natürliche
Photosynthese kann die lichtgetriebene Wasserstoffbildung viele Male mit
demselben Molekül erfolgen, was das System deutlich langlebiger macht. Bei der
Begutachtung durch die DFG besonders positiv hervorgehoben wurde zudem das
Schulprojekt von CataLight: Die Forschenden haben Unterrichtsmaterialien zum
Thema künstliche Photosynthese konzipiert und für den Chemieunterricht in
Gymnasien bereitgestellt.
Nächstes Ziel: Weg von seltenen Materialien
In der zweiten Förderphase ab Juli 2022 sollen die Solarenergiewandler nachhaltiger gestaltet werden: Derzeit finden sich noch seltene Materialien wie Ruthenium, Platin oder Rhodium in den Katalysatoren oder Photozentren. Diese ökologisch bedenklichen Komponenten sollen durch leichter verfügbare Alternativen ersetzt werden. Organische Farbstoffe, wie sie in Jena erforscht werden, könnten das Problem lösen. Ihre Instabilität lässt sich womöglich durch die im SFB entwickelten Reparaturmechanismen in den Griff bekommen. „Außerdem werden wir in der zweiten Förderphase die Materialverknüpfung in den Solarenergiewandlern optimieren. Ziel ist ein lichtgetriebener Prozess mit gekoppelter Oxidation und Reduktion. Dazu kommt die Weiterentwicklung physikochemischer Analysemethoden“, erklärt Professor Benjamin Dietzek-Ivanšić von der Universität Jena, der in der zweiten Förderphase das Sprecheramt übernimmt. Das Fernziel des Transregio-Sonderforschungsbereichs lautet: Die Herstellung künstlicher Chloroplasten nach dem Vorbild der Natur. Diese pflanzlichen Zell-Bestandteile sind für die Photosynthese zuständig.
Neue Partnerschaften stärken den Transregio-SFB
Neben den federführenden Universitäten Jena und Ulm tragen die
Universität Wien sowie das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz
und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. zum
Sonderforschungsbereich bei. In Zukunft wird das Konsortium um weitere starke
Partner erweitert: Geplant ist eine Kooperation mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und
Wasserstoff-Forschung (ZSW) in der Ulmer Wissenschaftsstadt. SFB-Mitglied
Professor Carsten Streb ist an die Universität Mainz gewechselt und wird seine
Forschungsarbeit für CataLight von dort aus fortführen. Dazu kommen
Forschende aus den USA als Mercator Fellows. Zudem ist der SFB
Gründungsmitglied des Netzwerks CataLysis, in dem
sich DFG-geförderte Forschungsinitiativen rund um die Katalyse
zusammengeschlossen haben.
Diese Vorarbeiten und neuen Partnerschaften ebnen den Weg für eine
erfolgreiche zweite Förderphase und leisten einen wissenschaftlichen Beitrag
zur Bewältigung der Energiewende.
(Foto: Elvira Eberhardt, Forschung an der Universität Ulm im Zuge des Transregio-SFBs CataLight)
Universität Ulm
Transregio-Sonderforschungsbereich verlängert
Branche |
|
---|---|
gegründet | 1967 |