Am 11. März 2025 haben Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz bahnbrechende Fortschritte in der Forschung zur grünen Wasserstoffproduktion erzielt. Sie entwickelten kostengünstige und effiziente Katalysatoren zur Wasserspaltung, die aus Kobalt und Wolfram bestehen. Diese Materialien sind nicht nur leicht zugänglich, sondern auch preiswert, was ihre Anwendbarkeit im industriellen Maßstab erheblich steigert. Die umfassenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren, die oft unter Leistungsabfall leiden, zeigt der neu entwickelte Katalysator eine bemerkenswerte Selbstoptimierung. Seine Effizienz steigert sich mit der Zeit, was auf tiefgreifende chemische Veränderungen während des Wasserspaltungsprozesses zurückzuführen ist. Kobalt wandelt sich dabei von Co2+ zu Co3+, während sich das Verhältnis von W5+ zu W6+ bei Wolfram verändert. Diese Dynamik verbessert die Reaktionskinetik der Sauerstoffentwicklung, die als kritische Schwelle im Prozess gilt.
Der innovative Mechanismus der Wasserspaltung
Ein weiterer bedeutender Beitrag zur Wasserstoffproduktion kommt von Forschenden um Dr. Paolo Giusto, die den Mechanismus der Wasserspaltung durch Kohlenstoffnitrid-Katalysatoren intensiv untersucht haben. Sie konnten detaillierte Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoffnitrid und Wasser ermitteln, insbesondere den Transfer von Protonen und Elektronen unter Lichteinfluss. Kohlenstoffnitrid hat sich als effektiver Katalysator erwiesen, der die Wasserstofferzeugung über künstliche Photosynthese ermöglicht.
Die Erkenntnisse zeigen, dass Kohlenstoffnitrid in der Lage ist, Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen. Dieser Prozess ist entscheidend, um die Herstellung effizienterer Katalysatormaterialien für die Wasserstoffproduktion aus Sonnenlicht voranzutreiben. Der Katalysator absorbiert Licht, nutzt dessen Energie zur Destabilisierung der Wassermoleküle und sorgt so für einen protonengekoppelten Elektronentransfer, der die chemischen Bindungen des Wassers schwächt.
Perspektiven für nachhaltige Energielösungen
Die Entwicklungen in beiden Forschungsprojekten haben weitreichende Implikationen für die künftige Energieerzeugung. Die Selbstoptimierung des Katalysators aus Kobalt und Wolfram könnte helfen, die Effizienz bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff langfristig zu steigern. Gleichzeitig ermöglichen die Erkenntnisse zur Dynamik von Kohlenstoffnitrid und Wassermolekülen eine tiefere Verständnisbasis für die Formierung nachhaltiger Energielösungen.
Die Förderung der Forschungsprojekte ist ebenfalls erwähnenswert: Dandan Gao wird im Rahmen des Walter Benjamin-Programms der DFG unterstützt, das Wissenschaftlern in der Qualifizierungsphase nach der Promotion ermöglicht, eigene Forschungsprojekte durchzuführen. Außerdem erhält das Projekt Unterstützung von der Carl-Zeiss-Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem JGU-Profilbereich SusInnoScience.
Insgesamt bringt die Erforschung dieser Katalysatoren die nachhaltige Wasserstoffproduktion näher und könnte einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen leisten. Die zukünftigen Entwicklungen in der Wasserstofftechnologie bleiben eines der aufregendsten Gebiete der angewandten Chemie.
