(Ulm, Jena / Deutschland) – Forscher aus Ulm und Jena haben ein Material entwickelt, das Energie aus Sonnenlicht speichert und noch Tage später in Wasserstoff umwandelt.„Man kann sich das vorstellen wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene“, erklärt Sven Rau, Leiter des Institut für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm.
Katalyselösungen mit lumineszierendem Ruthenium-Farbstoff, die im Reaktor mit sichtbarem Licht bestrahlt werden. © Elvira Eberhardt / Uni Ulm
Als Material zur temporären Energie- beziehungsweise Elektronenspeicherung werde ein wasserlösliches, redox-aktives Copolymer eingesetzt. „Copolymere sind Makromoleküle, die aus unterschiedlichen organischen Bausteinen bestehen.“ Sie bildeten ein stabiles Gerüst und würden mit funktionellen Einheiten ausgerüstet, die bestimmte chemisch-physikalische Eigenschaften mitbringen – in diesem Fall eine starke Redox-Aktivität, so die Forscher. „Redox-Aktivität“ ist die Fähigkeit einer chemischen Substanz, Elektronen aufzunehmen (Reduktion) oder abzugeben (Oxidation) und somit eine Reduktons/Oxidations-Reaktionen (Redoxreaktionen) hervorzurufen.
Das System erreiche eine Ladeeffizienz von über 80 Prozent und halte diesen Zustand mehrere Tage lang. „Bei Bedarf rufen wir die chemische Energie in Form von Wasserstoff wieder ab. Dafür werden die gespeicherten Elektronen gezielt wieder genutzt“, so Ulrich Schubert, Leiter des Instituts für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Wasserstoff „On Demand“
Durch Zugabe einer Säure und eines Katalysators würden die im Polymer gespeicherten Elektronen mit Protonen kombiniert – mit diesem Verfahren entstehe Wasserstoff gleichsam „On Demand“. Der Wirkungsgrad sei mit 72 Prozent „erstaunlich hoch“. Dieser Prozess funktioniere auch im Dunkeln, sei also unabhängig davon, ob die Sonne scheine.
Werde die Lösung anschließend neutralisiert, könne das System erneut „belichtet und aufgeladen“ werden. Die Polymer-basierten Redoxreaktionen seien reversibel und ermöglichten mehrere Lade-, Lager- und Katalyse-Zyklen. „Für ein Reset des Systems muss einfach der pH-Wert des Systems verändert werden“, erläutern die beiden Erstautoren der Studie Marco Hartkorn (Uni Ulm) und Robin Kampes (FSU Jena). Mit der Entladung in Gegenwart der Säure komme es zu einem Farbumschlag von violett zu gelb. Werde die „Batterie“ danach wieder mittels Licht beladen, werde das Gelb zu Violett und die Batterie sei wieder „scharf“ geschaltet.
Auch für industrielle Prozesse geeignet
Die Forscher sind davon überzeugt, dass solche Methoden zur „On Demand“-Wasserstoffentwicklung auch für energieintensive industrielle Prozesse genutzt werden könnten – beispielsweise für die klimaneutrale Stahlproduktion, die auf eine verlässliche Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen sei. „Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für kostengünstige, skalierbare solare Speichertechnologien – und liefern einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft“, sagt Ulrich Schubert.
Das Projekt ist Teil von „CataLight“ (Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien). Die Universitäten widmen sich innovativen und nachhaltigen Methoden der Photokatalyse. Dabei gehe es zentral um die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie beziehungsweise um die Herstellung von grünem Wasserstoff aus Sonnenlicht. Projektpartner sind die Universität Wien, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. in Jena.
Die Ergebnisse „A water-soluble copolymer for storage and electron conversion in photocatalytic on-demand hydrogen evolution“ sind im Magazin „Nature Communications“ Volume 17“ veröffentlicht.
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Probenröhrchen mit lichtaktiver Substanz. © Elvira Eberhardt / Uni Ulm
