Heterogene Katalyse zur Wasseroxidation und Wasserstoffentwicklung

Wasserstoff wird einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft sein. Ideal wäre es, Wasserstoff nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern durch die Spaltung von Wasser zu gewinnen. Die Elektrolyse von Wasser ist allerdings ein extrem energieintensives Verfahren und damit nicht nur teuer, sondern auch nicht wirklich nachhaltig, wenn der notwendige Strom wiederum aus fossilen Brennstoffen erzeugt würde. Die Photolyse, das heißt die Spaltung des Wassers durch Licht, ist eine viel versprechende Alternative. Das vorliegende Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung von Katalysatoren, die die Oxidation von Wasser und die Wasserstoffentwicklung, effektiv beschleunigen. Das Herzstück des Katalysators sind Mn, Fe, Co, Cu-haltige Corrole Komplexe. Wir wollen nun Sonnenlicht und elektrische Energie nutzen, um diesem stromintensiven Verfahren auf die Beine zu helfen. Dazu gilt es, die hohe Lichtausbeute moderner Solarzellen mit effektiven Photo-Katalysatoren die direkt auf der Au, Ag, Grafit, TiO2, ITO Oberfläche gebunden sind für die Oxidation von Wasser und die Reduktion von Wasserstoffionen zu Wasserstoffgas zu kombinieren.

Die Wasseroxidationsreaktion und Sauerstoffreduktionreaktion sind zwei wichtige Prozesse in der Brennstoffzellentechnologie. Während des Projekts wurden neuartige Katalysatoren zur Wasseroxidation, zur Sauerstoffreduktion, zur Wasserstoffentwicklung und zur CO2 Reduktionen hergestellt. Wir konnten erfolgreich zeigen, dass Mangan Corrole Katalysatoren hervorragend zur Wasserspaltung und zur Sauerstoffreduktion geeignet sind. Wirhaben die Ergebnisse im Fachjournal Angewandte Chemie veröffentlicht (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201508404). Des weiteren haben wir einen neuen molekularen auf Kobalt und Mangan basierenden Katalysator entwickelt, der CO2 selektiv und effizient auf günstigen Kohlenstoff-Papier-Elektroden in Methanol, Ethanol oder Essigsäure umwandeln kann. Die entstandenen Alkohole kann man unter Verwendung bestehender Technologien in eine Reihe nützlicher Chemikalien umwandeln, wodurch ein effizienter Weg zur Nutzung von CO2 offensteht. Die wissenschaftliche Arbeit wurde im Rahmen des FWF-Projekts (FWF-P28167-N34 ("Oxygen- and hydrogen evolution triggered by surface-supported catalysts") durchgeführt und ist im Fachjournal Nature Communications publiziert worden (https://www.nature.com/articles/s41467-019-11868-5). Längerfristige Tests bestätigten, dass der Katalysator aktiv bleibt und ein mögliches "up-scaling" für die Anwendungen wie die industrielle CO2-Rauchgas-Rückgewinnung verspricht.