Eisencarbonyle als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung
Schlicht mit Licht: Eisen-Komplexe als effiziente Katalysatoren für die lichtgetriebene Wasserstofferzeugung aus Wasser.
Wasserstoff gilt als aussichtsreicher alternativer Energieträger, der in Brennstoffzellen effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Eine Hürde für die Einführung einer nachhaltigen Wasserstofftechnologie ist die Tatsache, dass die großindustrielle Herstellung von Wasserstoff durch so genannte Reforming-Prozesse noch weitestgehend auf fossilen Brennstoffen basiert und damit nicht klimaneutral ist. „Eines der bedeutendsten Ziele für Chemiker besteht darin, Sonnenenergie zur Erzeugung von Energieträgern wie Wasserstoff zu nutzen“, sagt Matthias Beller vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock. „Der größte Reiz ist dabei die Verwendung von Wasser als Wasserstoffquelle.“ Bellers Rostocker Team ist es nun gelungen, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Rennes (Frankreich) ein neues Katalysatorsystem zu entwickeln, das diesen Wunsch erfüllen kann. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert das effektiv arbeitende System auf einfachen, kostengünstigen Eisencarbonyl-Komplexen.
Schlicht mit Licht lassen sich Protonen in Gegenwart eines neuartigen Eisenkatalysatorsystems zu H2 reduzieren (siehe Schema; SR=Elektronendonor). Es besteht aus einfachen Eisencarbonylen wie [Fe3(CO)12], Triethylamin als Elektronendonor und einem kationischen Iridiumkomplex als Photosensibilisator (PS). Die Umsatzzahlen von 3000 für den Photosensibilisator und 400 für den Eisenkatalysator sind die höchsten bisher für ein Eisensystem bekannten.
[Bildquelle: Angewandte Chemie, Wiley-VCH]
Pflanzen können im Rahmen der Photosynthese besonders gut Licht in chemische Energie umwandeln. Ihr Erfolgsgeheimnis sind komplizierte Reaktionskaskaden, die durch Lichtenergie in Gang gesetzt werden. Dabei werden Elektronen in mehreren Reaktionsschritten weitergegeben, an denen eine ganze Reihe von „Hilfsstoffen“ beteiligt sind. Angelehnt an dieses Prinzip werden derzeit weltweit lichtgetriebene Reaktionskaskaden zur Reduktion von Wasser zu Wasserstoff entwickelt.
Die wesentlichen Komponenten für die neuartige Kaskade sind ein Photosensibilisator, ein Lieferant für Elektronen (Elektronendonor) und der eigentliche Wasserreduktionskatalysator. Der Photosensibilisator nimmt das eingestrahlte Licht auf und fängt so die Lichtenergie ein. Anschließend überträgt der Elektronendonor ein Elektron auf den angeregten Photosensibilisator. Der nunmehr negativ geladene Photosensibilisator gibt sein überschüssiges Elektron an den Wasserreduktionskatalysator ab. Der Katalysator nutzt das Elektron, um Protonen (H+-Ionen) des Wassers zu Wasserstoff (H2) zu reduzieren.
Damit der gesamte Prozess abläuft, müssen die einzelnen Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein. Das Team wählte einen bekannten Photosensibilisator, der das Metall Iridium enthält, und Triethylamin als Elektronendonor. Während man sich bisher meist auf teure Edelmetalle als Wasserreduktionskatalysatoren konzentrierte, setzte das Rostocker Forscherteam auf eine kostengünstige Alternative: einfache, leicht verfügbare Eisencarbonyle (Komplexverbindungen aus Eisenatomen und CO-Molekülen).
„Unser neues katalytisches System zeigt, dass sich einfache und kostengünstige Eisenkomplexe für die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser verwenden lassen“, so Beller. „Um diese Reaktion zukünftig auch in größerem Maßstab durchzuführen, arbeiten wir aktuell an Verbesserungen des Photosensibilisators und der Verwendung von Wasser als Elektronendonor.“
Quellen und Artikel:
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Felix Gärtner, Basker Sundararaju, Dr. Annette-Enrica Surkus, Albert Boddien, Björn Loges, Dr. Henrik Junge, Prof. Dr. Pierre H. Dixneuf, Prof. Dr. Matthias Beller: Eisencarbonyle: Effiziente Katalysatoren für die lichtgetriebene Wasserstofferzeugung aus Wasser. In: Angewandte Chemie; published online: 19 Nov 2009 DOI: 10.1002/ange.200905115 URL: direct link
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Matthias Beller, Angewandte Homogenkatalyse, Universität Rostock
