Erstmals entschlüsselt: Wie Licht 
chemische Reaktionen in Gang hält

Physik-News vom 22.08.2019


Um Menschen weltweit klimaverträglich mit Energie zu versorgen, gilt Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft. Versuche, diesen umweltfreundlich aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen, sind allerdings bislang wenig ergiebig. Ein Forscherteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun eine Methode entwickelt, die grundlegende Prozesse entschlüsselt, um neue Materialien für die Nutzung von Sonnenenergie nach dem Vorbild der Natur zu erforschen. Mit spektroskopischen und elektrochemischen Techniken können sie erstmals sichtbar machen, 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 Ziel-Foto zu sehen bekommt“, erläutert Professor Benjamin Dietzek vom Leibniz-IPHT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena, dessen Forscherteam die Erkenntnisse nun in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ publizierte.


Ying Zhang aus dem Forscherteam des Jenaer Leibniz-IPHT untersucht an einem spektroskopischen Aufbau zeitaufgelöst lichtgetriebene Prozesse in Molekülen.

Publikation:


Linda Zedler, Alexander Klaus Mengele, Karl Michael Ziems, Ying Zhang, Maria Wächtler, Stefanie Gräfe, Torbjörn Pascher, Sven Rau et al.
Unraveling the Light‐Activated Reaction Mechanism in a Catalytically Competent Key Intermediate of a Multifunctional Molecular Catalyst for Artificial Photosynthesis
Angewandte Chemie

DOI: 10.1002/anie.201907247



Nach dem Vorbild der Photosynthese in der Natur werden in solchen mehrschrittigen photokatalytischen 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den durch Licht angeregten Multielektronen-Transfer zeitaufgelöst sichtbar machen und Reaktionen nachvollziehen, die nur Femto- und Nanosekunden andauern. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Um solche ultrakurzen chemischen Reaktionen zeitaufgelöst sichtbar zumachen, kombinieren die Forschenden spektroelektrochemische Methoden mit quantenchemischen Simulationen. „Wir haben damit eine Methode entwickelt, die im Prinzip auf alle mehrschrittige photokatalytischen Prozesse anwendbar ist“, so Benjamin Dietzek.

Sie ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und 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 Photosynthese oder in Solarzellen. Damit eröffnet die Methode neue Möglichkeiten, hochaktive und stabile Photokatalysatoren für die Produktion von Wasserstoff und eine klimafreundliche Energieversorgung der Zukunft zu erforschen.


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