Die Wasserstoff-Produktion durch Elektrolyse ist energieaufwendig. Wie eine von der Natur inspirierte Verbindung energieeffizient und nachhaltig Wasserstoff produzieren könnte, hat nun ein internationales Forschungsteam beschrieben.

Forscher untersuchen den Mechanismus der elektrokatalytischen Wasserstoffbildung mit einer von der Natur inspirierten Modellverbindung. (Bild: Uni Jena)

In der Natur gibt es Mikroorganismen, die Wasserstoff produzieren. Dazu nutzen sie spezielle Enzyme, die sogenannten Hydrogenasen. „Das besondere an den Hydrogenasen ist, dass sie den Wasserstoff katalytisch erzeugen. Anders als bei der Elektrolyse, wie sie industriell meist mit einem teuren Platinkatalysator betrieben wird, verwenden die Mikroorganismen Eisen-Ionen“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Weigand vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena. „Als Energieträger ist Wasserstoff natürlich hochinteressant. Deshalb wollen wir verstehen, wie dieser katalytische Vorgang genau abläuft“, ergänzt Weigand. Wie wichtig Wasserstoff in der Zukunft werden könnte, lesen Sie übrigens auch in unserem Faktencheck.

In den vergangenen Jahren wurden zwar weltweit schon zahlreiche Verbindungen hergestellt, die den in der Natur vorkommenden Hydrogenasen chemisch nachempfunden sind. In einer Kooperation mit der Universität Mailand haben Weigand und sein Jenaer Team nun jedoch eine Verbindung hergestellt, die ganz neue Erkenntnisse über den Katalyse-Prozess hervorbrachte. „Unser Modell basiert wie in der Natur auf einem Molekül, das zwei Eisen-Atome enthält. Im Vergleich zur natürlichen Form haben wir aber die chemische Umgebung des Eisens gezielt verändert. Genauer gesagt, wurde ein sogenanntes Amin durch ein Phosphin-Oxid ersetzt, das chemisch ähnliche Eigenschaften hat. Wir haben also das Element Phosphor ins Spiel gebracht.“

Wasserstoff wird zum Eckpfeiler einer dekarbonisierten Wirtschaft. Unser Newsticker informiert Sie laufend über neue Projekte und Vorhaben dazu. Aktuell: ++ Wasserstoffkooperation zwischenDeutschland und Indien ++ Alfa Laval kauft H2-Technologie ++ Hier weiterlesen.

Dadurch konnte das Team um Weigand den Ablauf der Wasserstoffbildung genauer verstehen. Wasser besteht aus positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Hydroxid-Ionen. „Unser Ziel war es zu verstehen, wie aus diesen Protonen Wasserstoff wird. Der Protonen-Lieferant in unseren Experimenten war jedoch kein Wasser, sondern eine Säure“, beschreibt Weigand die Arbeit. „Wir konnten beobachten, dass das Proton der Säure auf das Phosphin-Oxid unserer Verbindung übertragen wird. An dieser Stelle würde sich auch das Proton von Wasser in der natürlichen Variante des Moleküls befinden“, ergänzt er. Um die positive Ladung des Protons auszugleichen und letztlich Wasserstoff zu produzieren, wurden negativ geladene Elektronen in Form von elektrischem Strom zugeführt. Mithilfe der sogenannten Cyclovoltammetrie und einer an der Universität Jena entwickelten Simulationssoftware wurden dabei die einzelnen Schritte untersucht, in denen schließlich diese Protonen zu freiem Wasserstoff umgewandelt wurden. „Tatsächlich konnten wir während des Versuchs sehen, wie das Wasserstoffgas aus der Lösung in kleinen Bläschen aufstieg“, ergänzt der Chemiker.

„Die experimentellen Messdaten aus der Cyclovoltammetrie und die Simulationsergebnisse wurden anschließend vom Forschungsteam in Mailand für quantenmechanische Rechnungen verwendet“, fährt Weigand fort. „Dadurch konnten wir einen plausiblen Mechanismus vorschlagen, wie die gesamte Reaktion chemisch abläuft, die den Wasserstoff erzeugt – und zwar für jeden einzelnen Reaktionsschritt. Das gab es in dieser Genauigkeit bisher noch nicht.“ Die Ergebnisse und den vorgeschlagenen Reaktionsweg veröffentlichte die Gruppe im renommierten Fachmagazin „ACS Catalysis“.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen möchten Weigand und sein Team nun neue Verbindungen herstellen, die Wasserstoff nicht nur energieeffizient produzieren können, sondern nachhaltige Energiequellen dafür nutzen. „Das Ziel des Transregio-Sonderforschungsbereiches 234 „Catalight“, zu dessen Arbeit diese Forschung gehört, ist die Produktion von Wasserstoff durch Wasserspaltung mithilfe von Sonnenlicht“, führt Weigand aus. „Mit dem Wissen, das durch unsere Forschung gewonnen wurde, arbeiten wir nun daran, neue Katalysatoren auf der Basis der Hydrogenasen zu designen und zu untersuchen, die letztendlich mithilfe von Lichtenergie aktiviert werden.“ Die wichtige Rolle von Katalysatoren zeigt auch ein aktuelles Forschungsprojekt zur Herstellung von Ameisensäure aus CO2.

Die Wasserstoff-Produktion durch Mikroorganismen ist aber derzeit noch weitgehend Zukunftsmusik. Welche Wege die weltweit größten Projekte zur industriellen Wasserstoff-Erzeugung gehen, lesen Sie bei den Kollegen der Fachzeitung Produktion.

Allein das Fach Chemie kann man in Deutschland an über 80 Standorten studieren. Kein Wunder, denn die Berufschancen für Absolventen sind hoch – ob in der Wissenschaft oder in der Industrie. Wir zeigen Ihnen die sieben besten Hochschulen für diesen Studiengang laut Center of World-Class Universities. (Bild: Unsplash/Nathan Dumlao)

Platz 7: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Die Standorte der größten bayrischen Universität außerhalb der Hauptstadt München erstreckt sich über die beiden namensgebenden Nachbarstädte, wobei die Naturwissenschaftliche Fakultät – und damit das Studienfach Chemie – in Erlangen angesiedelt ist. Die Stadt mit knapp 110.000 ist bekannt für ihr studentisches Flair. Außerdem wirbt die Hochschule mit einem attraktiven Wohnumfeld, einer guten Infrastruktur sowie einem reichhaltigen Sport und Kulturangebot. (Bild: FAU/David Hartfiel)

Platz 6: TU Dresden. Unter den insgesamt 124 Studiengängen der Hochschule in der sächsischen Landeshauptstadt findet sich auch das Fach Chemie. Besonders bemerkenswert: Die TU Dresden ist eine der insgesamt nur elf sogenannten Exzellenz-Universitäten Deutschlands. Im Gegensatz zu vielen anderen Universitätsstädten bietet Dresden vergleichsweise günstigen Mieten und Lebenshaltungskosten und die Hochschule ist besonders auf Familienfreundlichkeit bedacht. (Bild: TUD/Eckold)

Platz 5: TU Berlin. Die drittgrößte der Berliner Universitäten hat ihren Campus in Charlottenburg und hat eine Reihe von Nobelpreisträgern hervorgebracht. Zu diesen gehört auch der Chemiker Carl Bosch, der das wegweisenden Haber-Bosch-Verfahrens zur Synthese von Ammoniak entwickelte und beim Chemiekonzern BASF wesentlich zur Kommerzialisierung der Herstellung von Stickstoff-Dünger beitrug. Auch heutigen Studenten hat die TU Berlin einiges zu bieten. Einen besonderen Schwerpunkt legt man dabei auf die Verbindung von Forschung und Lehre. (Bild: TU-Pressestelle/Dahl)

Platz 4: RWTH Aachen. Nicht nur durch ihre Lage im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande ist die RWTH Aachen international geprägt. Sie gehört zu den traditionsreichsten Technischen Hochschulen in Europa. Im Fach Chemie legt man dabei ein besonderes Augenmerk auf die praktische und experimentelle Ausbildung der Studenten ab dem ersten Semester. (Bild: RWTH Aachen/Peter Winandy)

Platz 3: Karlsruher Institut für Technologie. Das KIT ist die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft. Seit 1850 haben hier verschiedene sehr bekannte Chemiker gewirkt, darunter Lothar Meyer, der das Periodensystems der Elemente mitbegründete oder der Nobelpreisträger Fritz Haber, der die Ammoniak-Synthese mitentdeckte. Das KIT gehörte 2006 zu den ersten drei sogenannten Eliteuniversitäten und trägt heute den Titel „Exzellenzuniversität“. (Bild: KIT)

Platz 2: Georg-August-Universität Göttingen. Als älteste und größte Universität Niedersachsens sowie klassische Volluni bietet die Universität Göttingen natürlich auch das Fach Chemie an. Besonderen Stellenwert genießt dabei die Forschung: Bereits früh im Studium können die Studierenden an aktuellen Forschungsprojekten arbeiten und dabei von nahegelegenen außeruniversitären Einrichtungen wie den benachbarten Max-Planck-Instituten profitieren. Ebenfalls attraktiv: Campus, Innenstadt und Bahnhof liegen nah beieinander. (Bild: Universität Göttingen)

Platz 1: Technische Universität München. Die TU München ist die zweite große Universität der bayerischen Hauptstadt. Das naturwissenschaftlich-technische Zentrum der Hochschule und damit auch die Fakultät für Chemie ist im Campus Garching, nördlich von München, beheimatet. Dieser zählt als eines der größten Forschungszentren in Deutschland und bietet hervorragende fachliche Voraussetzungen für das Chemiestudium. Auch die Innenstadt ist für die Studenten nicht allzu weit: Die Fahrtzeit von der eigenen U-Bahn-Station ins Zentrum beträgt ca. 25 Minuten. (Bild: TUM/Ulrich Benz)

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Speziell für den Einsatz bei stark klebrigen, zähen oder abrasiven Medien hat Vega den frontbündigen Grenzschalter Vegapoint 24 entwickelt. Selbst bei starken Anhaftungen erkennt er zuverlässig den Bedeckungszustand und zeigt ihn mit farbigem Leuchtring an.Weiterlesen...

Insbesondere mittelständische Unternehmen unterschätzen bei Anlagenprojekten häufig das dazu erforderliche Genehmigungsmanagement. Worauf es ankommt erfahren Sie hier.Weiterlesen...

Die weiterentwickelte Schüttgutweiche WYK-CIP von Coperion wurde in allen Baugrößen (DN 65, 80, 100 und 125) gemäß den aktuellen USDA-Richtlinien zertifiziert. Sie kann damit in hygienischen Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet werden.Weiterlesen...

Mit den automatisierten Dosier- und Mischanlagen von IFA Technology können Betreiber ihre Flüssigkeiten und/oder Schüttgut-Mischungen mittels Rezeptsteuerung optimieren. Dabei lassen sich neben den Dosiermengen auch weitere Parameter wie Temperatur, pH-Wert oder Viskosität festlegen.Weiterlesen...

Chemieproduktion einfach erweitern oder die Produktion bei Turnarounds aufrechterhalten – beide Szenarien lassen sich in der Praxis nur mit Mühe erfüllen. Evonik hat für diese Fälle mobile Chemieanlagen-Skids entwickelt. Die Basis dafür bildet ein flexibler Baukasten für den Stahlbau.Weiterlesen...

Carl Roth GmbH + Co. KG

CURRENTA GmbH & Co. OHG