25.06.2013

Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Wasser mit Sonnenlicht spalten

Der Europäische Forschungsrat vergibt den ERC Starting Grant für angehende Spitzenwissenschaftler an Ellen Backus vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P). Die in Mainz forschende Physikochemikerin erhält damit in den kommenden fünf Jahren Fördergelder in Höhe von 1,5 Mio. Euro für ihre wissenschaftliche Arbeit. Mit diesen Mitteln möchte Backus den Prozess der Wasserspaltung mit Titandioxid und Sonnenenergie erforschen. Dazu wird sie ihre Forschungsgruppe ausbauen und in Hochleistungsmessgeräte investieren. „Ich freue mich sehr, bald die Wassermoleküle während der Reaktion beobachten zu können“, sagt Backus.

Gewinnung von Wasserstoff

Die gebürtige Niederländerin kam 2012 gemeinsam mit Direktor Mischa Bonn aus Amsterdam an das MPI-P und erforscht unter anderem den Prozess der photokatalytischen Wasserspaltung, der Zersetzung von Wasser mittels solarer Energie. Bereits 1972 haben japanische Wissenschaftler entdeckt, dass Wasser in Kontakt mit Titandioxid (TiO2) unter Einwirkung von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Welche molekularen Vorgänge während des photokatalytischen Spaltungsprozesses ablaufen, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Entscheidend ist, wie sich die Wassermoleküle an der Grenzfläche zum Titandioxid verhalten und welche Bindungen sie eingehen. Ellen Backus möchte die Interaktion der Moleküle vor, während und nach der Wasserspaltung beobachten. Dazu versetzt sie die Teilchen mit Laserimpulsen in Schwingung und misst die Resonanzen der Molekülvibrationen. Anhand dessen lassen sich Rückschlüsse auf die Bewegungen, die Dynamik und die Interaktion der Wassermoleküle gewinnen und ein Bild auf molekularer Ebene ableiten. In einem zweiten Schritt übernimmt ein weiterer Laserimpuls die Aufgabe der Sonne. Er spaltet die Wassermoleküle.Die Impulse erfolgen vergleichbar den Lichtblitzen eines Stroboskops, allerdings im Abstand von Femtosekunden, also Zeitabständen im Bereich des 10-15 Teils einer Sekunde. Mit diesen ultrakurzen Zeitspannen gelingt es, sowohl die Bewegungen der Moleküle sequenziell aufzuzeichnen als auch die Spaltung.

Die photokatalytische Wasserspaltung besitzt großes Potenzial, um den für die Wasserstoffwirtschaft benötigten Wasserstoff ökologisch sauber und ökonomisch effizient bereitstellen zu können. Vielfachen Prognosen zufolge wird Wasserstoff als Energiequelle eine maßgebliche Rolle bei der Deckung des zukünftigen Energiebedarfs spielen. Dafür muss die Reaktion weniger verlustreich ablaufen. Die wissenschaftliche Arbeit Ellen Backus ist auf die grundlegenden Vorgänge der Spaltung konzentriert, um Energietransport und Bindungsverhalten en Detail zu verstehen.

Der ERC Starting Grant ist eine der Förderlinien mit denen die EU im globalen Wettbewerb um Spitzenforscher wirbt und sie in einer frühen Phase ihrer wissenschaftlichen Karriere z.B. beim Aufbau einer eigenen Forschungsgruppe unterstützt. Laut eigenen Angaben fördert der ERC im vergangenen Jahr über 500 Forscher und ihre Projekte mit Mitteln in Höhe von circa 800 Millionen Euro.

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