Solargetriebene Katalysatoren Mit Sonnenschein zu nachhaltiger Chemie-Industrie

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Sonnenlicht für chemische Reaktionen zu nutzen, ist ein nachhaltiges Konzept für die chemische Industrie. Forscher aus Ulm und Jena haben nun einen Photokatalysator entwickelt, der effektiver ist als ein klassischer thermischer Katalysator. Eine Umstellung auf solche sonnenbasierten Prozesse bräuchte laut den Forschern keine großen Investitionen.

Ulm, Jena – Rund 80 Prozent aller Chemieerzeugnisse werden mithilfe katalytischer Prozesse hergestellt. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen oder bringen diese erst in Gang, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Diese Aufgabe übernehmen häufig thermische Katalysatoren, deren Einsatz gekoppelt ist an den Verbrauch fossiler Energien. Doch auch das Licht der Sonne lässt sich für katalytische Prozesse effektiv nutzen. Dies haben Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Jena in ihrer aktuellen Studie gezeigt. Ihnen ist es gelungen, einen sonnenlichtgetriebenen Photokatalysator so zu optimieren, dass dieser schneller und effizienter als ein konventioneller thermischer Katalysator arbeitet. „Diese Entwicklung stößt das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zukunft der chemischen Industrie auf“, sagt Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm.

Der Ulmer Chemiker hat gemeinsam mit seinem Jenaer Kollegen Professor Benjamin Dietzek-Ivanšić eine Studie koordiniert, die die Leistungsfähigkeit von Photokatalysatoren demonstriert. „Wir konnten zeigen, dass das Design des Katalysators eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der ablaufenden Lichtreaktion spielt – aber nicht für die thermische Reaktion“, erklärt Dietzek-Ivanšić, der am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena forscht und im Leibniz-Institut für Photonische Technologien die Forschungsabteilung Funktionale Grenzflächen leitet.

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Photokatalysator im Test

Der untersuchte Photokatalysator besteht aus drei chemisch aktiven Bauteilen: einem Zentrum für die Aufnahme der Lichtenergie, einer Brücke und einem Katalyse-Zentrum. In den Experimenten stellte sich heraus, dass insbesondere der Aufbau der Brücke einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz des Katalysators hat, wie die Erstautoren der Untersuchung Dr. Linda Zedler (Uni Jena) und Pascal Wintergerst (Uni Ulm) bestätigen. Mithilfe chemischer Synthesen, katalytischer Untersuchungen und ultraschneller Spektroskopie hat das Forschungsteam die ablaufenden Prozesse im Detail aufgeklärt.

Chemische Regeneration von Photokatalysatoren

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Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, dass sich solche solargetriebenen Photokatalysatoren eignen, um aus energiearmen Ausgangsstoffen energiereiche, qualitativ hochwertige Reaktionsprodukte zu erzeugen. Kommen konventionelle thermische Katalysatoren zum Einsatz, braucht es dagegen energiereichere Ausgangsstoffe, um vergleichbare Reaktionen zu ermöglichen.

Proof of Concept mit bedeutsamem Biomolekül

Den Nachweis hierfür erbrachten die Chemiker für ein Anwendungsbeispiel mit großem biotechnologischem Potenzial: der Wasserstoffanlagerung (Hydrierung) an Nikotinamid, wodurch ein energiereiches Molekül mit umfassenden Einsatzmöglichkeiten entsteht. Die organische Verbindung Nikotinamid ist ein zentraler Bestandteil von Nikotinamid-Adenindinukleotid (NAD+ bzw. NADH). Dieses Coenzym ist in lebenden Zellen an zahlreichen Redoxreaktionen des Stoffwechsels beteiligt. Für die Forscher ist die photokatalytisch vermittelte Hydrierung von Nikotinamid ein sichtbarer Beleg, dass sich solare Chemie und biotechnologische Anwendungen bestens koppeln lassen.

Mit den Bauplänen für zukünftige solargetriebene Katalysatoren, die das Team in dieser Studie etabliert hat, liefern die Wissenschaftler darüber hinaus grundlegende Erkenntnisse, wie sich die Energie des Sonnenlichtes effizient in chemische Bindungsenergie umwandeln und als solche speichern lässt. Dieser Prozess ist zentral für die Nutzung von Solarenergie nach dem Vorbild der Natur. „Grundsätzlich hat das Forschungsprojekt aber eben auch gezeigt, dass sich katalytische Prozesse mithilfe optimierter Photokatalysatoren auf eine solare Grundlage stellen lassen – und zwar mit einem Gewinn an katalytischer Effizienz“, sagen die Forscher.

Großinvestitionen in der Chemie-Industrie sind laut den Wissenschaftlern dafür nicht nötig. Denn Stoffströme könnten beibehalten werden, und die technologische Basis der chemischen Prozesstechnik ließe sich ohne Probleme weiternutzen. Dies wäre ein wegweisender Schritt für die chemische Industrie, um nachhaltiger zu werden und unabhängiger von fossilen Brennstoffen.

Originalpublikation: Linda Zedler, Pascal Wintergerst, Alexander K. Mengele, Carolin Müller, Chunyu Li, Benjamin Dietzek-Ivanšić & Sven Rau. Outpacing conventional nicotinamide hydrogenation catalysis by a strongly communicating heterodinuclear photocatalyst, Nature Communications 13, Article number: 2538; DOI: 10.1038/s41467-022-30147-4

* Andrea Weber-Tuckermann, Universität Ulm , 9081 Ulm

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