Licht hält chemische Reaktionen in Gang

Erstmals entschlüsselt

Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien e.V. (IPHT) in Jena hat eine Methode entwickelt, die “entscheidende Erkenntnisse für die Weiterentwicklung nachhaltiger Energiewandler liefert” – so eine Medienmitteilung des Leibniz-IPHT vom 22.08.2019. Derzufolge konnten die Wissenschaftler erstmals sichtbar machen, nach welchen Mechanismen komplexe, mehrschrittige lichtgetriebene Prozesse funktionieren.

Forscherin Ying Zhang untersucht an einem spektroskopischen Aufbau zeitaufgelöst lichtgetriebene Prozesse in Molekülen. Sie gehörte zum Forscherteam und startete inzwischen eine wissenschaftliche Karriere in China – Foto © Sven Döring/Leibniz-IPHT

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. Die neue Methode entschlüsselt grundlegende Prozesse, um neue Materialien für die Nutzung von Sonnenenergie nach dem Vorbild der Natur zu erforschen. Mit einer Kombination spektroskopischer und elektrochemischer Techniken können die Wissenschaftler erstmals sichtbar machen, nach welchen Mechanismen komplexe, mehrschrittige lichtgetriebene Prozesse funktionieren.

Verstehen, wie sich eine effektive Energiewandlung antreiben lässt

„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 Friedrich-Schiller-Universität Jena, dessen Forscherteam die Erkenntnisse nun in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ publizierte. Nach dem Vorbild der Photosynthese in der Natur werden in solchen mehrschrittigen photokatalytischen Prozessen durch Licht chemische Reaktionen ausgelöst. Wie diese ablaufen und welche Faktoren die Reaktivität von Zwischenprodukten beeinflussen, habe man aufgrund der extrem kurzen Lebensdauer dieser Zwischenprodukte bislang nicht untersuchen können. Die Arbeit aus Jena zeigt nun neue Ansätze auf, diese bisher nicht untersuchbare Reaktivität zu analysieren.

Mit der vom Forscherteam des Leibniz-IPHT erarbeiteten Methode gelingt es erstmals, die Mechanismen zu enthüllen, nach denen lichtgetriebene Prozesse funktionieren. Mithilfe von spektroelektrochemischen Methoden können die Wissenschaftler den durch Licht angeregten Multielektronen-Transfer zeitaufgelöst sichtbar machen und Reaktionen nachvollziehen, die nur Femto- und Nanosekunden andauern. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Um solche ultrakurzen chemischen Reaktionen zeitaufgelöst sichtbar zumachen, kombinieren die Forschenden spektroelektrochemische Methoden mit quantenchemischen Simulationen. „Wir haben damit eine Methode entwickelt, die im Prinzip auf alle mehrschrittige photokatalytischen Prozesse anwendbar ist“, so Dietzek. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, die gesamte katalytische Aktivität besser zu verstehen, indem sie Einblicke in den bislang weitgehend unverstandenen Ablauf mehrstufiger Multielektronen-Transfer-Kaskaden liefert. Diese finden in der Atmungskette ebenso statt wie in der natürlichen und künstlichen Photosynthese oder in Solarzellen (Foto). Damit eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, hochaktive und stabile Photokatalysatoren für die Produktion von Wasserstoff und eine klimafreundliche Energieversorgung der Zukunft zu erforschen.

Die Arbeit entstand innerhalb des Sonderforschungsbereichs „CataLight“ („Light-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials – Synthesis and Mechanistic Studies“), in dem Wissenschaftler der Universitäten Jena und Ulm nachhaltige Energiewandler nach dem Vorbild der Natur erforschen. Neben dem Jenaer Leibniz-IPHT gehören die Universität Wien und das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz zu den Projektpartnern.

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