Forschung & Entwicklung

Ablauf lichtgetriebener Prozesse

Eine neue Methode entschlüsselt die grundlegenden Prozesse, um neue Materialien für die Nutzung von Sonnenenergie nach dem Vorbild der Natur zu erforschen. Mit spektroskopischen und elektrochemischen Techniken kann sichtbar gemacht werden, nach welchen Mechanismen mehrschrittige lichtgetriebene Prozesse funktionieren.

„Lichtgetriebene Prozesse haben wir bislang wahrgenommen wie einen Hundert-Meter-Lauf, bei dem man den Startschuss hört und dann erst wieder das Zielfoto zu sehen bekommt“, erläutert Professor Benjamin Dietzek vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Nach dem Vorbild der Fotosynthese in der Natur werden in solchen mehrschrittigen fotokatalytischen 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 Multielektronentransfer zeitaufgelöst sichtbar machen und Reaktionen nachvollziehen, die nur Femto- und Nanosekunden andauern.

Um solche ultrakurzen chemischen Reaktionen zeitaufgelöst sichtbar zu machen, kombinieren die Forscher spektroelektrochemische Methoden mit quantenchemischen Simulationen. „Wir haben damit eine Methode entwickelt, die im Prinzip auf alle mehrschrittige fotokatalytischen Prozesse anwendbar ist“, sagt Benjamin 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 Fotosynthese oder in Solarzellen. Damit eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, hochaktive und stabile Fotokatalysatoren 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.

von mn

Originalveröffentlichung:

[L. Zedler, A. K. Mengele, K. M. Ziems, Y. Zhang, M. Wächtler, S. Gräfe, T. Pascher, S. Rau, S.  Kupfer, B. Dietzek, Unraveling the Light‐Activated Reaction Mechanism in a Catalytically Competent Key Intermediate of a Multifunctional Molecular Catalyst for Artificial Photosynthesis, Angew. Chem. Int. Ed. (2019), DOI: 10.1002/anie.201907247]

www.leibniz-ipht.de

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