Das Sonnenlicht als Quelle für die klimafreundliche Energieversorgung nutzen: Lange vor großen Initiativen wie dem europäischen „Green Deal“ oder der „nationalen Wasserstoffstrategie“ hat der Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB) CataLight mit der Entwicklung chemischer Solarenergiewandler begonnen. Das wichtigste Vorbild des Konsortiums von den Universitäten Ulm und Jena ist die natürliche Photosynthese. Nach vier erfolgreichen Jahren auf dem Weg zur dezentralen Erzeugung von grünem Wasserstoff wurde nun die Weiterfinanzierung des Transregio-SFBs beschlossen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB/Transregio 234 „Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien“ bis 2026 mit mehr als 12 Millionen Euro.
Großer Erfolg für die Universitäten Jena und Ulm: In den kommenden vier Jahren werden interdisziplinär Forschende im Transregio-SFB CataLight die lichtgetriebene Wasserspaltung weiter vorantreiben. Ein Schlüssel ist die Optimierung von Katalysematerialien und -methoden. Frühere Systeme zur Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie waren nämlich relativ instabil: Durch die Einbettung der lichtgetriebenen Katalysatormoleküle in weiche Materie ist es dem Konsortium aus Chemie, Physik und Materialwissenschaften in der ersten Förderphase gelungen, diesen Prozess zu stabilisieren und zu steuern.
Als Hauptziel des nun verlängerten Sonderforschungsbereichs sollen Grundlagen für die effiziente Erzeugung von CO2-neutralem Wasserstoff auf dezentraler Basis geschaffen werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und reichen von der mobilen, solarbetriebenen Wasserstofftankstelle bis zur klimafreundlichen Strom- und Wärmeversorgung von Wohnhäusern.
Erste Förderphase: Wasserstoffproduktion bei Dunkelheit und Reparaturmechanismen
In der ersten Förderphase haben die SFB-Forschenden wichtige Schritte auf dem Weg zur umweltfreundlichen Herstellung von solaren Brennstoffen gemacht. „Die Forschungsgruppen an den Universitäten Ulm und Jena ergänzen sich perfekt. Gemeinsam haben wir molekulare Bausteine für die Solarenergiewandlung entwickelt, geprüft und verknüpft. Dabei konnten wir grundlegende Erkenntnisse zum Aufbau von lichtgetriebenen Katalysatoren gewinnen, um eine hocheffiziente Energiewandlung durchzuführen“, erklärt SFB-Sprecher Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm.
Konkrete Erfolge der ersten Förderperiode reichen von der Entwicklung eines kompakten Einzelmolekülkatalysators, der dank Lichtenergiespeicherung solaren Brennstoff bei Dunkelheit produzieren kann, bis zu einem molekularen Reparaturmechanismus für Photokatalysatoren. In Anlehnung an die natürliche Photosynthese kann die lichtgetriebene Wasserstoffbildung viele Male mit demselben Molekül erfolgen, was das System deutlich langlebiger macht. Bei der Begutachtung durch die DFG besonders positiv hervorgehoben wurde zudem das Schulprojekt von CataLight: Die Forschenden haben Unterrichtsmaterialien zum Thema künstliche Photosynthese konzipiert und für den Chemieunterricht in Gymnasien bereitgestellt.
Nächstes Ziel: Weg von seltenen Materialien
In der zweiten Förderphase ab Juli 2022 sollen die Solarenergiewandler nachhaltiger gestaltet werden: Derzeit finden sich noch seltene Materialien wie Ruthenium, Platin oder Rhodium in den Katalysatoren oder Photozentren. Diese ökologisch bedenklichen Komponenten sollen durch leichter verfügbare Alternativen ersetzt werden. Organische Farbstoffe, wie sie in Jena erforscht werden, könnten das Problem lösen. Ihre Instabilität lässt sich womöglich durch die im SFB entwickelten Reparaturmechanismen in den Griff bekommen. „Außerdem werden wir in der zweiten Förderphase die Materialverknüpfung in den Solarenergiewandlern optimieren. Ziel ist ein lichtgetriebener Prozess mit gekoppelter Oxidation und Reduktion. Dazu kommt die Weiterentwicklung physikochemischer Analysemethoden“, erklärt Professor Benjamin Dietzek-Ivanšić von der Universität Jena, der in der zweiten Förderphase das Sprecheramt übernimmt. Das Fernziel des Transregio-Sonderforschungsbereichs lautet: Die Herstellung künstlicher Chloroplasten nach dem Vorbild der Natur. Diese pflanzlichen Zell-Bestandteile sind für die Photosynthese zuständig.
Neue Partnerschaften stärken den Transregio-SFB
Neben den federführenden Universitäten Jena und Ulm tragen die Universität Wien sowie das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. zum Sonderforschungsbereich bei. In Zukunft wird das Konsortium um weitere starke Partner erweitert: Geplant ist eine Kooperation mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in der Ulmer Wissenschaftsstadt. SFB-Mitglied Professor Carsten Streb ist an die Universität Mainz gewechselt und wird seine Forschungsarbeit für CataLight von dort aus fortführen. Dazu kommen Forschende aus den USA als Mercator Fellows. Zudem ist der SFB Gründungsmitglied des Netzwerks CataLysis, in dem sich DFG-geförderte Forschungsinitiativen rund um die Katalyse zusammengeschlossen haben.
Diese Vorarbeiten und neuen Partnerschaften ebnen den Weg für eine erfolgreiche zweite Förderphase und leisten einen wissenschaftlichen Beitrag zur Bewältigung der Energiewende.
Text und Medienkontakt: Annika Bingmann