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Einblicke in die Photochemie

Den Wettlauf der Elektronen verfolgen

| Redakteur: Christian Lüttmann

Energie aus Sonnenlicht gewinnen ist schon lange möglich – doch die Effektivität ist noch verbesserungswürdig. Um photokatalytische Materialien zu optimieren, muss man verstehen, wie sie mit dem Licht wechselwirken. Ein Forscherteam aus Jena hat dazu nun eine Methode entwickelt, mit der sich die ultrakurzen Zwischenreaktionen dabei zeitaufgelöst verfolgen lassen.

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Die Forscherin Ying Zhang untersucht an einem spektroskopischen Aufbau zeitaufgelöst lichtgetriebene Prozesse in Molekülen.
Die Forscherin Ying Zhang untersucht an einem spektroskopischen Aufbau zeitaufgelöst lichtgetriebene Prozesse in Molekülen.
(Bild: Sven Döring/ Leibniz-IPHT)

Jena – Um Menschen weltweit klimaverträglich mit Energie zu versorgen, gilt Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft. Versuche, diesen umweltfreundlich aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen, sind allerdings bislang wenig ergiebig.

Ein Forscherteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich grundlegende Prozesse bei lichtgetriebenen Reaktionen entschlüsseln lassen sollen. Dies würde helfen, neue Materialien für die Nutzung von Sonnenenergie nach dem Vorbild der Natur zu erforschen und zu verbessern.

Was passiert zwischen Startschuss und Zielfoto?

Mit einer Kombination spektroskopischer und elektrochemischer Techniken haben die Wissenschaftler erstmals sichtbar gemacht, nach welchen Mechanismen komplexe, mehrschrittige lichtgetriebene Prozesse funktionieren.

„Lichtgetriebene Prozesse haben wir bislang wahrgenommen wie einen Hundert-Meter-Lauf, bei dem man den Startschuss hört und dann erst wieder das Ziel-Foto zu sehen bekommt“, erläutert Professor Benjamin Dietzek vom Leibniz-IPHT und der Universität Jena. Was auf der Laufstrecke passiert, habe man bislang nicht zuverlässig untersuchen können – zu kurzlebig seien die dort entstehenden Zwischenprodukte, wie der Forscher erklärt. So ist noch immer unklar, wie diese lichtinduzierten Reaktionen im Detail ablaufen und welche Faktoren die Reaktivität der Zwischenprodukte beeinflussen.

Analyse im Femtosekunden-Bereich

Mit dem neuen Messverfahren des Leibniz-IPHT gelingt es nun erstmals, die Mechanismen zu enthüllen, nach denen lichtgetriebene Prozesse funktionieren. Mithilfe von spektroelektrochemischen Methoden können die Wissenschaftler den durch Licht angeregten Multielektronen-Transfer im photosensitiven Material zeitaufgelöst sichtbar machen und Reaktionen nachvollziehen, die nur Nano- und Femtosekunden andauern, also dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Um solche ultrakurzen chemischen Reaktionen verfolgen zu können, kombinieren die Forscher spektroelektrochemische Methoden mit quantenchemischen Simulationen. „Wir haben damit eine Methode entwickelt, die im Prinzip auf alle mehrschrittigen photokatalytischen Prozesse anwendbar ist“, sagt Dietzek.

Wie ein Zeitlupenfilm, der die Lauftechnik eines Sprinters offenbart, kann die Methode die Geheimnisse einzelner Reaktionsschritte aufdecken. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, die gesamte katalytische Aktivität besser zu verstehen, indem sie Einblicke in den Ablauf mehrstufiger Multielektronen-Transfer-Kaskaden liefert. Diese finden in der Atmungskette ebenso statt wie in der natürlichen und künstlichen Photosynthese oder in Solarzellen. Damit eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, hochaktive und stabile Photokatalysatoren für die Produktion von Wasserstoff und eine klimafreundliche Energieversorgung der Zukunft zu erforschen.

Originalpublikation: Dr. Linda Zedler, Alexander Klaus Mengele, Karl Michael Ziems, Dr. Ying Zhang, Dr. Maria Wächtler, Prof. Dr. Stefanie Gräfe, Torbjörn Pascher, Prof. Dr. Sven Rau, Dr. Stephan Kupfer, Prof. Dr. Benjamin Dietzek: Unraveling the Light‐Activated Reaction Mechanism in a Catalytically Competent Key Intermediate of a Multifunctional Molecular Catalyst for Artificial Photosynthesis, Angewandte Chemie 2019; DOI: 10.1002/anie.201907247

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