- Oregon State University entwickelt neuartiges photokatalytisches Material, das effizient Wasserstoff ohne Metallkatalysator erzeugt.
- Das Material nutzt schwefelhaltige organische Bausteine, um Lichtenergie einzufangen, und vereinfacht so den Wasserstoffgenerierungsprozess.
- Das Forschungsteam konzentriert sich auf das MOF namens BVR-19, das über ungewöhnliche Sulfidbindungen verfügt.
- Diese Forschung liefert neue Designrichtlinien zur Senkung der Kosten für grünen Wasserstoff.
Forschende der Oregon State University haben eine neue Klasse lichtaktivierter Materialien geschaffen, die Wasserstoff aus Wasser erzeugen können und einen potenziell saubereren Pfad von Sonnenlicht zu Kraftstoff bieten. Dieser Photokatalysator erzeugt Wasserstoff schnell und effizient, wobei das Material ohne zusätzliche teure Metallkatalysatoren auskommt. Die Studie wurde von Kyriakos Stylianou von der Fakultät für Wissenschaften der Universität geleitet; die Ergebnisse könnten ein weiteres Instrument zur Verringerung von Treibhausgasemissionen und zur Bekämpfung des Klimawandels darstellen. Wasserstoff wird breit in Brennstoffzellen, bei der Ammoniakherstellung, der Metallraffination und der Kunststoffproduktion eingesetzt.
Photokatalysatoren funktionieren dadurch, dass ein Katalysator eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne sich dauerhaft zu verändern; Photokatalysatoren erreichen dies bei Aktivierung durch Licht. Stylianou zufolge erreicht das Material nach der Lichtabsorption einen höheren Energiezustand und kann diese Energie nutzen, um Reaktionen schneller anzutreiben. Kern der Forschung sind Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) – kristalline, poröse Materialien, die aus positiv geladenen Metallionen und organischen Verknüpfungsmolekülen aufgebaut sind. Ihre winzigen Poren und die abstimmbare Struktur ermöglichen es Wissenschaftlern, die Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen feinabzustimmen.
Stylianou weist darauf hin, dass es theoretisch Millionen verschiedener MOF-Strukturen gibt; Chemiker haben bereits nahezu 100.000 MOFs synthetisiert und die Eigenschaften von etwa 500.000 weiteren vorhergesagt.
Die Besonderheit von BVR-19
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf ein MOF namens BVR-19. Dieses Material enthält eine ungewöhnliche Sulfidbindung, die unter Lichteinwirkung vorübergehend bricht und hochreaktive Schwefelspezies erzeugt. „Die organische Komponente verrichtet die wichtige Arbeit“, sagt Stylianou. Das Material verlässt sich nicht primär auf Metallatome, sondern nutzt seine schwefelhaltigen organischen Bausteine, um Lichtenergie einzufangen und Elektronen an den Wasserstoffgenerierungsprozess zu übertragen. Er bezeichnet diesen Designansatz als ein Umdenken darüber, wie man solche Materialien gestaltet. Dieses Design bedeutet, dass BVR-19 keine zusätzlichen teuren Metallkatalysatoren benötigt, was die Entwicklung zukünftiger lichtgetriebener Wasserstoffsysteme vereinfachen könnte.
Zudem bildet sich das Material spontan in wässriger Lösung bei Raumtemperatur, was den für die Herstellung erforderlichen Energieaufwand verringert.
Vergleich mit herkömmlichen Wasserstoffgenerierungsmethoden
Der Prozess der Wasserspaltung mittels Katalysator ist sauberer als die vorherrschende Industriemethode – die Dampfreformierung von Methan –, die Erdgas verwendet und Kohlendioxid freisetzt, um Wasserstoff zu erzeugen. Bestehende Wasserspaltungsmethoden beruhen meist auf Elektrokatalyse, deren Umweltnutzen von der Stromquelle abhängt. Um nachhaltig und ökonomisch wettbewerbsfähig zu bleiben, muss dieser Strom aus kostengünstigen erneuerbaren Quellen stammen. Die Kosten bleiben ein Hindernis: Bei der Dampfreformierung von Methan liegt der Wasserstoffpreis bei etwa 1,50 US$ pro kg (ca. 12 HK$), während grüner Wasserstoff etwa 5 US$ pro kg (ca. 39 HK$) kostet.
Stylianou, Leiter des Materials Discovery Lab der Oregon State University, erklärt, dass diese Forschung einen Bauplan für das Design von Materialien liefere, die die Kosten für grünen Wasserstoff senken. Indem sie das Metall variierten und die übrigen Materialbestandteile im Wesentlichen beibehielten, verstand sein Team, warum bestimmte Versionen des MOF weitaus leistungsfähiger sind als andere. Diese Erkenntnisse liefern neue Designrichtlinien für die Schaffung effektiverer Materialien zur solaren Kraftstoffproduktion. Ihre Arbeit wurde von der Murdock Charitable Trust, der National Science Foundation und der Fakultät für Wissenschaften der Oregon State University unterstützt. Der Titel der zugehörigen Publikation lautet „Ligand-zu-Metall-Ladungstransfer in metall-organischen Gerüstverbindungen fördert die radikal-anionen-vermittelte Wasserstoffentwicklung“.
Emmanuel Musa und weitere Mitglieder des Labors sowie Forschende der Oregon State University haben zu dieser Arbeit beigetragen. Die Studie wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Die Auswirkungen des neuen Materials auf die Wasserstoffproduktion
Der Durchbruch dieser Forschung liegt in der Entwicklung eines photokatalytischen Materials, das ohne Metallkatalysator auskommt, was nicht nur die Produktionskosten senkt, sondern auch die ökologische Nachhaltigkeit erhöht. Herkömmliche Wasserstoffgenerierungsmethoden beruhen weitgehend auf fossilen Brennstoffen, setzen Kohlendioxid frei und belasten die Umwelt. Die Anwendung des neuen Materials könnte die Verbreitung von grünem Wasserstoff fördern und die Entwicklung erneuerbarer Energien vorantreiben. Angesichts der steigenden Nachfrage nach sauberer Energie ist die Entwicklung dieses Materials von besonderer Bedeutung und eröffnet neue Möglichkeiten für die zukünftige Energiewende.