Prof. Dr. Arne Thomas, Leiter des Fachgebiets Funktionsmaterialien an der TU Berlin und Sprecher des Exzellenzclusters UniSysCat, wurde von der Berliner Falling Walls Foundation für den „Falling Walls Science Breakthrough of the Year 2023“ nominiert. Die Gewinner werden am 13. September 2023 bekanntgegeben und dürfen ihre Forschung auf dem Falling Walls Science Summit in Berlin am 9. November 2023 vorstellen.
Arne Thomas ist einer von nur zehn Nominierten in der Kategorie „Physical Sciences“. Insgesamt hatten sich mehr als 1.000 Forscher*innen aus aller Welt auf die sechs Kategorien des Breakthrough of the Year beworben. Thomas arbeitet auf dem Gebiet der organischen Photokatalysatoren, die mit Hilfe des Sonnenlichts wichtige chemische Reaktionen ermöglichen, wie etwa die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser oder die Umwandlung von CO2 in Grundchemikalien für die Industrie. Damit könnten sie ein wichtiges Instrument für einen Wandel hin zu einer dezentralen und umweltfreundlichen Energieerzeugung werden.
„Ich freue mich sehr über die Nominierung, weil damit die Vorteile und Chancen der Photokatalyse einem noch größeren Publikum bekannt werden“, erklärt Arne Thomas. Photokatalysatoren nehmen die Energie des Sonnenlichts auf und erzeugen Ladungsträger, die dann auf Ausgangsstoffe für chemische Reaktionen übertragen werden können und so Reaktionen ermöglichen, die sonst nicht ablaufen würden. „Viele Photokatalysatoren bestehen derzeit aus seltenen und teuren chemischen Elementen“, sagt Thomas. Daher habe er es sich zur Aufgabe gemacht, organische Photokatalysatoren zu entwickeln, die zum größten Teil nur aus den überall vorhandenen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff bestehen.
„Mittlerweile können wir verschiedene funktionale Moleküle zu großen Netzwerkstrukturen kombinieren, so dass die entstehenden Materialien für den jeweiligen Anwendungszweck genau definierte Eigenschaften haben. Sie können einen Großteil des Sonnenlichts absorbieren und damit viel Energie aufnehmen. Zudem verfügen diese Materialien über sehr große Oberflächen, oft mehr als tausend Quadratmeter pro Gramm des Materials. Man kann damit also die Oberfläche eines Fußballfelds in einer Hand halten.“ Weil ein fester Katalysator ausschließlich über seine Oberflächenatome mit den Ausgangsstoffen wechselwirkt und so deren Reaktion beeinflusst, sind diese großen Oberflächen extrem wichtig, um möglichst große Stoffmengen pro Zeit umzusetzen.
Was viele nicht wissen: Für die Herstellung von Wasserstoff steht mit der Photokatalyse ein alternatives Verfahren zur Elektrolyse zur Verfügung, also der Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe von Strom. „Ich sehe die Photokatalyse aber nicht als Konkurrenz, sondern als Ergänzung zur Elektrolyse an“, erklärt Arne Thomas. „Der große Vorteil ist natürlich die Einfachheit des Prozesses. Gerade mit kostengünstigen organischen Photokatalysatoren könnte man Wasserstoff gut dezentral, also an vielen Orten erzeugen.“ Die Wirkungsgrade der Photokatalyse sind mittlerweile ähnlich wie die der Kopplung von Photovoltaik und Elektrolyse.
Die Möglichkeit einer einfachen, dezentralen Erzeugung wäre auch ein großer Vorteil bei der Herstellung von Industriechemikalien aus Wasser und Kohlendioxid, das aus der Luft oder von Verbrennungsprozessen stammt. „Das Vorbild ist hier die Natur, die mit der Photosynthese in den Blättern genau das bewerkstelligt“, sagt Thomas. Während ein Baum auf diese Weise Kohlenhydrate produziert, könnten mit Hilfe der Photokatalyse die Grundchemikalien zum Beispiel für Kraftstoffe, Farbstoffe, Medikamente, Waschmittel oder Kunststoffe hergestellt werden. „Unsere Zukunftsvision ist, dass Städte, Gemeinden und vielleicht sogar einzelne Haushalte in der Lage sind, speicherbare Energie in Form von Wasserstoff oder Kraftstoffen und wichtige Produkte des täglichen Lebens dezentral und mit Hilfe von Sonnenlicht zu erzeugen. Dies würde zu einer Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen führen und zudem die Transportwege stark verkürzen“, erklärt Arne Thomas. Diese Vision sei auch ein wichtiger Teil des Forschungsprogramms des Exzellenzclusters UniSysCat.
Autor: Wolfgang Richter
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Kontakt
Prof. Dr. Arne Thomas
Technische Universität Berlin
Institut für Chemie / Fachgebiet Funktionsmaterialien
E-Mail: arne.thomas(at)tu-berlin.de
Prof. Dr. Arne Thomas
Organische Photokatalysatoren zeigen oft intensive Farben