Mein Element: Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff gilt als Treibstoff der Zukunft. Bei seiner Verbrennung entstehen nur geringe Emissionen, das macht ihn zum Hoffnungsträger für "grüne" Energie. Im Dossier "Mein Element" anlässlich des 150. Jubiläums des Periodensystems stellt Chemikerin Ellen Backus das vielseitige Element vor.

Was mich an Wasserstoff am meisten fasziniert:
Wasserstoff hat schon mit seiner Position im Periodensystem als erstes und kleinstes Element eine besondere Bedeutung. Ohne Wasserstoff und damit ohne Wasser, denn Wasser ist eine Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff, gäbe es kein Leben. Heute ist das bei Zimmertemperatur farblose und geruchsneutrale Gas vor allem als einer der wichtigsten Energieträger für unsere zukünftige Energieversorgung bekannt. Da Wasserstoff aus Wasser hergestellt werden kann, ist Wasserstoff nahezu unbegrenzt verfügbar. Durch die Verbrennung von Wasserstoff kann man relativ emissionsarm Energie erzeugen. Doch die Herausforderungen, Wasser bzw. Wasserstoff als grüne Energiequelle zu verwenden, sind sehr groß. In der Grundlagenforschung gibt es noch viele offene Fragen zu klären, z.B. zur umweltgerechten Gewinnung von Wasserstoff, etwa mit Hilfe von Sonnenlicht. 

Ellen Backus im Podcast-Gespräch
Übrigens: Im Uni Wien-Podcast "Audimax" erzählt Physikochemikerin Ellen Backus ausführlich von den Herausforderungen, Wasser als grüne Energiequelle zu verwenden! Zur Podcast-Folge

In meiner Forschung arbeite ich mit Wasserstoff, um …
… zu verstehen, wie aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht und einem Katalysator Wasserstoff entsteht. Dass man Wasser auf diese Weise in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann, ist schon länger bekannt. Wir wissen aber kaum, was dabei auf molekularer Ebene an der Grenzfläche zwischen Wasser und Katalysator passiert. Dieses Verständnis könnte helfen, bessere Katalysatoren für die photokatalytische Wasserspaltung zu entwickeln. Diese Form der Spaltung ist für die Wasserstoffwirtschaft von großem Interesse, um den benötigten Wasserstoff umweltfreundlich und kostengünstig bereitstellen zu können.

Darüber hinaus interessiere ich mich ganz allgemein für das Verhalten von Wassermolekülen an Grenzflächen. Dazu nutzen wir Oberflächenspektroskopie. Ob bei Wasser im Glas, Wasser im Kontakt zum Flusssediment, Wasser in Kontakt mit der Atmosphäre – an den Grenzflächen der Materie kommt es zu Wechselwirkungen. Wir wollen diese chemischen Prozesse verstehen, zum Nutzen für industrielle Anwendungen und für die künftige Energiegewinnung. 

Ellen Backus nutzt für ihre Versuche zur Wasserspaltung einen Katalysator (Titanoxid), der mit Hilfe von Laserlicht aktiviert wird – im Bild ist der experimentelle Aufbau zu sehen. (© Ellen Backus)

Mein Element in 3 Worten:
Energetisch, vielseitig, klein.

Wasserstoff: "Held" oder "Bösewicht"?
Definitiv Held! Man denke nur an Wasserstoff als Voraussetzung für Leben. In jeglichen Verbindungen, die für Leben stehen, ist Wasserstoff eingebaut: von den Kohlenwasserstoffverbindungen der Peptide und Kohlenhydrate bis hin zu den Grundbausteinen für Materialien. Auch der pH-Wert wird durch die Menge des Wasserstoffes (H+) bestimmt. Ohne Wasser geht nichts. Gleichzeitig ist es eines der vielversprechendsten Elemente in Bezug auf die Herstellung von sauberer Energie. Aber: Wasserstoff ist auch besonders entzündlich und kann in einem bestimmten Verhältnis mit Sauerstoff zum detonationsfähigen Knallgas werden. 

Wussten Sie, dass …
… Wasserstoff das leichteste aller Gase ist? Molekularer Wasserstoff ist die Verbindung mit der geringsten Dichte. Wasserstoff ist zudem das häufigste chemische Element des Universums.

Die wichtigsten Kenndaten von Wasserstoff:

Ordnungszahl: 1; Symbol: H; Gruppe: Alkalimetalle; Masse (gerundet): 1,01 u; Vorkommen: natürlich

Eine Welt ohne Wasserstoff wäre …
… unmöglich für die Existenz von Leben!

Ellen Backus und Wasserstoff – wie alles begann:
Es gibt keinen klaren Anfang, da Wasserstoff in der Chemie sozusagen allgegenwärtig ist. Mein Forschungsinteresse begann mit dem Wunsch, die Grenzflächen von Wasser besser zu verstehen, denn obwohl sehr viel über Volumenwasser bekannt war, wusste man noch immer relativ wenig über Grenzflächenwasser.

Ellen Backus studierte Chemie an der Universität von Amsterdam und absolvierte ihre Doktorarbeit an der Universität Leiden. Als Postdoc war sie an der Universität Zürich, dann am FOM-Institute AMOLF in Amsterdam und seit 2012 als Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz tätig. 2013 erhielt sie einen ERC Starting Grant für ihr Projekt "FOPS-water - Fundamentals of photocatalytic splitting of water". Seit 1. Oktober 2018 ist sie Professorin für Physikalische Chemie und stellvertretende Vorständin des Instituts für Physikalische Chemie an der Universität Wien. (© Maiada Hadaia)

Der Dezember steht im uni:view Magazin ganz im Zeichen der Elemente: Im Dossier "Mein Element" präsentieren WissenschafterInnen einen Monat lang Überraschendes und Wissenswertes zu Elementen, mit denen sie in Forschung und Lehre arbeiten.