Energie aus Wasserstoff: Oldenburger Chemiker untersuchen lichtgetriebene Wasserspaltung

Wasserstoff könnte im Energiemix der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Bei seiner Verbrennung werden gewaltige Energiemengen freigesetzt. Und statt umwelt- oder klimaschädlicher Lasten fällt lediglich reines Wasser an. Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, der allerdings durch andere Energiequellen erzeugt werden muss. Das Sonnenlicht könnte in Zukunft Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, so die Vision eines jetzt gestarteten bundesweiten Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die TU Darmstadt koordiniert es unter dem Titel “Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte”. Die Arbeitsgruppe “Theoretische Chemie” der Universität Oldenburg um Prof. Dr. Thorsten Klüner ist mit dem Projekt “Quantenchemische und quantendynamische Studien zur photokatalytischen Wasserspaltung an Titandioxidoberflächen” beteiligt. Forschungsarbeiten werden durch ein Projekt zur (Quanten-)Kontrolle photochemischer Reaktionen an Titandioxid ergänzt. Dieses Projekt mit dem Titel “Ab initio Kontrolle offener Quantensysteme mit Anwendung in der Oberflächenphotochemie” wird ebenfalls von der DFG gefördert und in der AG “Theoretische Chemie” durchgeführt. Beide zunächst auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekte erhalten insgesamt 400.000 Euro von der DFG.

Ein viel versprechender Weg zur Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist die photokatalytische, also durch Licht beschleunigte Spaltung des Wassers an hochreaktiven Materialien. Titandioxid ist als photoelektrochemisch aktiver Halbleiter besonders interessant: Es ist chemisch sehr stabil, nicht toxisch und kommt als Mineral in der Natur vor. “Bis heute sind allerdings die grundlegenden Elementarschritte der Wasserspaltung an Titandioxidoberflächen auf atomistischer Ebene weitgehend unverstanden”, erläutert Klüner.

In den beiden Forschungsprojekten sollen nun auf atomarer Skala die Mechanismen der Wasserspaltung durch Licht detailliert untersucht werden. Die Arbeitsgruppe “Theoretische Chemie” verfügt über eine langjährige Erfahrungen bei der theoretischen Modellierung photochemischer Prozesse an Festkörperoberflächen. Dabei wird ein Molekül auf einer Oberfläche durch Licht in einen angeregten Zustand versetzt. Ein Zustand, in dem sich chemische Bindungen spalten lassen. Die genaue Beschreibung dieser angeregten Zustände ist äußerst schwierig. Oldenburger WissenschaftlerInnen ist es in den vergangenen Jahren gelungen, diese weltweit einzigartigen Berechnungen zuverlässig und exakt durchzuführen.

Dabei kommen sehr genaue, so genannte ab initio Berechnungen zum Einsatz, die ohne Zuhilfenahme experimenteller Daten in der Lage sind, Eigenschaften von Stoffen und chemische Reaktionen vorherzusagen. Das erfordert aufwendige quantenchemische Berechnungen. Sie werden auf dem Oldenburger Großrechner HERO und am Bundeshöchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) durchgeführt.

Klüner ist zuversichtlich, dass Erkenntnisse aus dem Projekt die Grundlage für das Design effizienterer Photokatalysatoren auf der Basis von Titandioxid abgeben: “Mit diesen Photokatalysatoren sollte es in absehbarer Zukunft möglich sein, die lichtgetriebene Wasserspaltung kommerziell in großem Maßstab zu nutzen.”

(Universität Oldenburg)

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