Katalysator für die Wasseroxidation aus Pflanzen: ein Mittel zur energieeffizienten Erzeugung von Wasserstoff?

Katalysator für die Wasseroxidation aus Pflanzen: ein Mittel zur energieeffizienten Erzeugung von Wasserstoff?
Anonim

- Wasserstoff wird einer der wichtigsten Brennstoffe der Zukunft sein. Es wäre ideal, Wasserstoff durch Spaltung von Wasser anstelle von Erdöl zu gewinnen. Die Elektrolyse von Wasser ist jedoch ein sehr energieintensiver Prozess, der sowohl teuer als auch nicht nachhaltig ist, wenn der zur Erzeugung erforderliche Strom aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammt. Die Photolyse, die Aufspaltung von Wasser durch Licht, ist eine vielversprechende Alternative.

Ein Team australischer und amerikanischer Forscher hat nun einen Katalysator entwickelt, der eine der notwendigen Halbreaktionen, die Photooxidation von Wasser, effektiv katalysiert. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, ist der Kern des Katalysators ein Mangan-haltiger Komplex, der denjenigen in photosynthetischen Organismen nachempfunden ist.

Elektrolyse ist die Umkehrung des Prozesses, der in einer Batterie stattfindet: Das heißt, elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Die Elektrolyse von Wasser beinhaltet zwei Halbreaktionen: An der Kathode werden Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen) zu Wasserstoff reduziert, während an der Anode die Oxidation von Wasser Sauerstoff erzeugt.

Ziel der Forscher ist es, mit Sonnenlicht diesen energieintensiven Prozess in Gang zu bringen. Damit dies funktioniert, muss die Lichtsammelleistung moderner Solarzellen mit effektiven Photokatalysatoren für die Oxidation von Wasser und die Reduktion von Wasserstoffionen zu Wasserstoffgas kombiniert werden.

Die größte Hürde bei der photokatalytischen Spaltung von Wasser war bislang das Fehlen eines robusten Katalysators, der Wasser oxidiert. Tatsächlich ist der bekannteste Katalysator, der bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht Wasser sehr effektiv oxidiert, ein Mangan-haltiges Enzym im Photosyntheseapparat lebender Organismen.

Robin Brimblecombe und Leone Spiccia von der Monash University (Australien), Gerhard F. Swiegers von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO, Australien) und G. Charles Dismukes von der Princeton University (USA) haben diese Struktur als Modell für ihre Photokatalysator.

Der fragliche Katalysator ist ein Manganoxokomplex mit einem kubischen Kern aus vier Mangan- und vier Sauerstoffatomen, die von zusätzlichen Phosphinatmolekülen verkappt sind. Die katalytisch aktive Spezies entsteht, wenn Energie aus Licht die Freisetzung eines der Capping-Moleküle aus dem Würfel bewirkt.

Der Mangankomplex ist jedoch nicht wasserlöslich. Die Forscher haben dieses Problem überwunden, indem sie eine Elektrode mit einer hauchdünnen Nafion-Membran beschichtet haben. In den wässrigen Kanälen dieser Membran ist die katalytische Spezies stabilisiert und hat einen guten Zugang zu den Wassermolekülen. Die Bestrahlung mit sichtbarem Licht unter einer angelegten Spannung von 1, 2 Volt führt zu einer wirksamen Elektrooxidation von Wasser.

Diese anodische Halbzelle könnte leicht mit einer katalytischen Wasserstoff produzierenden Kathodenzelle gepaart werden. Dies würde zu einer photoelektrochemischen Zelle führen, die aus Wasser und Sonnenlicht reinen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.

Zitat: Leone Spiccia, Photokatalyse mit nachhaltiger Wasseroxidation durch einen bioinspirierten Mangancluster, Angewandte Chemie International Edition 2008, 47, Nr. 38, doi: 10.1002 / ange.200801132

Zur Verfügung gestellt von Wiley