Artificial photosynthesis in a bottle – hydrogen gas with light

Im Beitrag wird der Experimentalvortrag Online-Fachtagung Fachgruppe Chemieunterricht GDCh aus dem September 2021 in verkürzter und digital unterstützter Form wiedergegeben. Dabei vornehmlich auf arbeitstechnische Details bei Hauptexperiment, photokatalytischen Herstellung von Wassersstoff unter Schulbedingungen, eingegangen. Anhand beschriebenen Schritte lässt sich prototypisch die Entwicklung eines „schulgeeigneten“ Experiments nachvollziehen. In this article, the experimental lecture from online symposium of Educational Section German Chemical Society is reproduced an abbreviated and digitally supported form. It mainly deals with technical details main experiment, photocatalytic production hydrogen under school conditions. Based on steps described, development a “school-suitable” experiment can be prototypically reproduced. Die Energie Sonne, jährlich Erdoberfläche auftrifft, ist um ein Vielfaches größer als sämtlichen fossilen nuklearen Energieträgern gespeicherten 1, 2. Diese Erde treffende Motor fast aller biogenen Prozesse Erde. Ausgangspunkt Photosynthese grüner Pflanzen. Auch technische Nutzung nur kleinen Teils auftreffenden Sonnenenergie reicht, den Energiebedarf gesamten Menschheit zu decken. (Zugang Folien über QR-Code (Abb. 1)) wurde ausgehend diesen Überlegungen das bereits bekannte Photo-Blue-Bottle-Experiment hingewiesen 3, 4. Darauf aufbauende Experimente ermöglichen Einstieg Themenfeld künstlichen mit Synthese nachhaltiger CO2-neutraler Wert- Brennstoffe Endprodukt 5, 6. weiteren Verlauf werden stark verkürzt dargestellt anschließend des 1-Topf-Zelle. Verschiedene Materialien sind angegebenen Quellen beziehen. Präsentationsfolien Vortrags „Künstliche Flasche – Wasserstoff Licht“. Der Prozess sowie natürlichen kann modelltheoretisch vier unterteilt Lichtabsorption: Durch Aufnahme Lichtquants geeigneter Wellenlänge Elektron energetisch höheres Energieniveau gehoben. niedrigeren verbleibt eine Fehlstelle. Ladungstrennung: Fehlstelle durch Elektronendonors besetzt. Dadurch Rekombination angehobenem im Niveau verhindert. Das angehobene einen Elektronenakzeptor übertragen werden. Wasseroxidation: Bei Wasseroxidation Elektronen freigesetzt, zum Besetzen Elektronenlöcher genutzt Als weitere Produkte entstehen Sauerstoff Protonen. Formal Wasser gebundene Oxidationstufe II 0 angehoben. höherwertiger Produkte: Aus einfachen Ausgangsstoffen wie Protonen, Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff einem Reduktionskatalysator Wasserstoff, Methan Ammoniak gebildet. Hierbei angehobenen verwendet. Da alle diese Umwandlungen Mehrelektronenprozesse sind, entscheidende Anforderung Systeme Akkumulierung Photonen, Generierung Ladung deren Trennung (Schritte 1 2), sodass Oxidation Reduktionen 3 4) erfolgen können. unserem Modellexperiment drei Teilprozessen 2 verwenden wir homogene photokatalytische System käuflichen Basis Nano-Platinpartikeln beschichteten Aluminiumoxidfasern. Damit erzeugen „grünen“ einer lichtgetriebenen Redoxreaktion ohne Umweg Photovoltaik Elektrolyse 7. schwierig bisher auch wissenschaftlichen Forschung noch nicht befriedigend gelöst wurde, irreversibel verbrauchbarer Opferdonor eingesetzt 8. Vortrag Fokus Versuch 1-Topf-Zellen-Variante 2) demonstriert. ebenfalls entwickelte 2-Topf-Zellen-Variante didaktische Brücke vom Daniell-Element ausführlich publiziert. 7, 9, 10. mehreren Publikationen genannte Photo-Blue-Bottle-Lösung (PBB-Lösung) besteht Komponenten: Proflavin Photokatalysator Farbstoff Lage, sichtbares Licht absorbieren. Ethylviologen fördert Elektronenzwischenspeicher Elektronenakkumulation, indem es angeregtes reduziert wird. nach Elektronenabgabe regeneriert. hierfür nötigen irreversible EDTA bereitgestellt. Zu Lösung feste Nano-Platin Aluminiumoxidfasern gegeben. Ausführlich Angaben ablaufenden Reaktionen, Beobachtungen, fachliche Hintergründe Hinweise 10-12 finden. Photokatalytische 1-Topf-Zelle zur Erzeugung „grünem“ Wasserstoff. diesem sei einige Besonderheiten Versuchsvorrichtung unserer eingegangen: Um sauerstofffreie Arbeitsweise gewährleisten, geschlossene Apparatur gewählt. Hier eignete Laborflasche Stopfen. PBB-Lösung behielt Bestrahlung tiefblaue Farbe Stunden, ausreichende Sauerstofffreiheit Dichtigkeit geschlossen konnte. Wurde gefüllte jedoch längere Zeit bestrahlt, erwärmte aufbauenden Druck löste Ein Hartkunstoffschraubdeckel schied Alternative aus, da sinnvolle Entnahme entstehenden Wasserstoffgases praktikabel umgesetzt Integrierung Kühlsystems verzichtet. Zum erhöht apparative Aufwand beträchtlich andererseits reduzieren Glaswände (außenliegende) Kühlflüssigkeit Durchlässigkeit für Licht. Eine „innen“ Einsatz direkten Sonnenlicht möglich sein sollte. Aufbau reproduzierbaren Messergebnissen gelang Verwendung medizintechnischem Material. Über Schlauchadapter Dreiwegehahn anschließen, oberen Seite Injektionsstopfen ausreichend dicht abgeschossen dritten Anschlussstelle ca. 50 cm langer transparenter Schlauch flexiblem Silikongummi Heidelberger Verlängerung angeschlossen Becherglas angefärbtem gehängt. Mit konnten meisten Herausforderungen ermöglicht Druckausgleich, flüssigkeitsgefüllte ist, Erwärmung Reaktionslösung problematisch wäre. Andererseits große Wasserstoffgasmenge auffangen. Für konnte guter Kompromiss Schule gefunden gelöste vor Beginn entfernt. Sowohl Abkochen Durchströmen Stickstoffgas wurden hinderlich schulpraktische Umsetzung erkannt. ersten Phase gebildeten Zwischenspeicher Hydroxid-Ionen reduziert. Innerhalb weniger Minuten sauerstofffrei. Auffüllen bis Höhe Stopfens minimierte Restluftmenge drastisch. Flüssigkeit befindet nun minimales Restgasvolumen, dessen Sauerstoffanteil reduktiv entfernt kräftiges Rühren mittels Magnetrührfisch gute Durchmischung sowohl Restgasvolumen gesorgt. Zugabe Reduktionskatalysators ermöglichte erstmalig signifikante Gasproduktion. Während anfangs pulverförmiges platinbelegtes Aluminiumoxid verwendet Erprobung Vielzahl käuflicher Katalysatoren Variation Mengen schulischen Chemikalienhandel beziehbarer Katalysator günstige effiziente identifiziert Es handelt hierbei Aluminiumoxidfasern, gleichmäßig belegt 3). Regenerierung benutzten Katalysators relevante Leistungseinbußen möglich. Näheres hierzu findet 9. REM-Aufnahme Foto Gebindes. letzte Optimierung Sperrflüssigkeit gefüllt. Hierfür Spritze am Luft gezogen Raum eingenommen. aufgefangene diverse Versuche vorgestellten lassen reproduzierbar innerhalb 30 10 mL Wasserstoffgas photokatalytisch erzeugen. So übliche Knallgasprobe Aufglühen vorerhitzten möglich, aber Betrieb Brennstoffzelle Demonstration Brennstoffzellenautos (vgl. Video 12). Abbau weiterer Hürden schnellen Implementation haben zwei Experimentiersets zusammengestellt 4). Set „Basisversion“ können grundlegenden Klassenstärke durchgeführt Neben Reaktionen Energiebeteiligung Lichtfarbe Hinreaktion, Gasbeteiligung Rückreaktion Redoxpotenziale Konzentrationszelle thematisiert. „Demoversion“ High-Power-LED angeboten. Alle Komponenten Chemikalien beigelegt, Unterricht ermöglichen, darunter befinden selbstverständlich Unterrichtsmaterialien, Videos weiterführende Literatur. Photo-Cat Experimentier- Materialiensets vgl. https://chemiemitlicht.uni-wuppertal.de/. Verbreitung bestehenden Sets Zulassen Lage Lehrerfortbildungen durchgeführt. Modellexperimente Schwerpunkt Wasserphotolyse Kohlenstoffdioxidreduktion stehen Agenda. Wir danken Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG Förderung Forschungsvorhaben TA 228/4-1 Photo-LeNa (Photoprozesse Lehre Naturwissenschaften) 228/4-2 Photo-MINT derMINT-Fächer). Trotz angespannten pandemischen freuen uns erfolgte Bestellungen genannten Experimentierboxen. Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. Richard Kremer studierte 2017 Fächer Mathematik Chemie Lehramt Gymnasien Bergischen Universität Wuppertal. Nach seiner Masterarbeit er wissenschaftlicher Mitarbeiter Chemiedidaktik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Tausch begann seine Promotion Titel „Photokatalytische Wasserstoffherstellung“ experimentellen Erschließung Themenbereichs Photosynthese“. Arbeiten entsprechender Manfred-und-Wolfgang-Flad-Preis 2020 ausgezeichnet. Michael W. Tausch, langjähriger Chemielehrer, Schulbuchautor Professor ihre Didaktik Universitäten Duisburg Wuppertal entwickelt Lehr-/Lernmaterialien Print- Elektronikformaten Interaktionsboxen mitexperimentellem Equipment. Sein Forschungsinteresse gilt insbesondere curricularen Innovation Chemieunterrichtsund Lehramtsstudiums. Einen bildet dabei Auf Gebiet leistet Pionierarbeit nachhaltige, klimaneutrale ressourcen-schonende Solarlicht. Jahr 2015 erhielt M. erster Chemiedidaktiker neu eingerichteten Heinz-Schmidkunz-Preis Gesellschaft Deutscher Chemiker.