Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein gemeinsames Projekt der Universitäten Paderborn, Rostock und Mainz, bei dem chemische Reaktionen durch den Einsatz von Sonnenlicht umweltverträglicher gemacht werden sollen. Es soll damit Antworten auf die Frage liefern, wie trotz immer knapper werdender Ressourcen solche Prozesse auch in Zukunft nachhaltig durchgeführt und dabei gleichzeitig neue Energiequellen nutzbar gemacht werden können. Das Vorhaben wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Licht-kontrollierte Reaktivität von Metallkomplexen“ mit knapp 700.000 Euro über einen Zeitraum von drei Jahren gefördert. Mit dem Förderinstrument werden aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen von hoher gesellschaftlicher Relevanz durch Konsortien aus ganz Deutschland bearbeitet.
Paderborner Projektleiter ist Prof. Dr. Matthias Bauer. Der Chemiker erklärt: „Sonnenlicht kann dem Klimaschutz nicht nur dadurch dienen, dass es mittels Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine direkte Umwandlung der Sonnenenergie in chemische Produkte wie zum Beispiel Wasserstoff ist ein weiteres, wichtiges Standbein für eine nachhaltige Zukunft. Bisher werden für solche photochemischen Reaktionen Stoffe eingesetzt, die auf Edelmetallen basieren. Die Produktion solcher Edelmetalle erzeugt allerdings eine CO2-Emission von 30 Tonnen pro Kilogramm und stellt damit eine deutliche Umweltbelastung dar. Werden Edelmetalle aber durch beispielsweise Eisen ausgetauscht, lässt sich die Menge an klimaschädlichem CO2 nahezu vollständig einsparen. Die Herstellung von einem Kilogramm Eisen erzeugt circa zwei Kilogramm CO2.“ Hier setzt das interdisziplinäre Team an. Die Wissenschaftler*innen entwickeln neue Eisenverbindungen, die dazu geeignet sind, Licht in chemisch nutzbare Energie umzuwandeln.
Um dieses Ziel zu erreichen, setzt das Team einzigartige Methoden ein, mit denen sie die Wirkweise der Eisenverbindungen gezielt verbessern können. Durch den Einsatz von ultraschnellen Röntgenblitzen, die nur an wenigen Großforschungseinrichtungen weltweit zur Verfügung stehen, erstellen sie z. B. Filme der molekularen Prozesse in den eingesetzten Materialien. Die Röntgenblitze werden an sogenannten freien Röntgenlasern erzeugt und sind notwendig, um die Abläufe nach der Absorption von Licht in Echtzeit zu filmen. Ein Blitz dieser Art hat die Länge von einigen Femtosekunden. Zum Vergleich: Während Licht für die Strecke zum Mond eine Sekunde benötigt, legt es in einer Femtosekunde nur einen Tausendstel Millimeter zurück. „Mit der ultraschnellen Röntgenspektroskopie verfügen wir über ein einzigartiges Werkzeug, um die nachhaltigen Substanzen auf Eisenbasis für die Nutzung von Sonnenlicht zu analysieren und gezielt zu bearbeiten“, so Bauer.
„Grundlagenforschung spielt in dem Projekt eine zentrale Rolle. Insbesondere geht es darum, die Eigenschaften dieser neuen Eisenkomplexe mithilfe eines breiten Spektrums an Methoden zu verstehen und darauf aufbauend zu verbessern", erläutert Prof. Dr. Stefan Lochbrunner von der Universität Rostock. Dort wird das Verhalten der Komplexe bei Bestrahlung mit Licht spektroskopisch mit hoher Zeitauflösung untersucht, die Messergebnisse werden dann mit Berechnungen verglichen. „Gerade die Berechnungen bringen aktuelle Verfahren an ihre Grenzen und verlangen methodische Weiterentwicklungen", ergänzt Prof. Dr. Oliver Kühn, ebenfalls von der Universität Rostock.
„Die fotochemische Nutzung von Licht gehört in Zukunft zu den wichtigsten Grundlagen für neue technologische Entwicklungen. Molekulare Metallkomplexe, die wir hier gemeinsam erforschen, bieten ein breites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten, um diese Entwicklungen voranzutreiben“, sagt Prof. Dr. Katja Heinze, Koordinatorin des DFG-Schwerpunktprogramms von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU).
