Technologie

Sonnenenergie für den ganzen Tag

18.09.2020 - Neuer Ansatz speichert Lichtenergie mit Hilfe photochemischer Reaktion über mindestens 14 Stunden.

Die Natur hat das Problem bereits gelöst: In der Photo­synthese wandeln Pflanzen Kohlen­dioxid mit Hilfe von Sonnen­licht in chemische Verbindungen um — und zwar so, dass die in chemischen Bindungen gespeicherte Sonnen­energie auch dann zur Verfügung steht, wenn es dunkel ist. Forscher versuchen, diesen Prozess nach dem Vorbild der Natur nachzuahmen; allerdings funktioniert die solar­getriebene Photochemie mangels geeigneter Speicher­möglichkeiten bislang nur bei Helligkeit. 
 

Das Forscherteam vom Leibniz-IPHT und der Universität Jena stellt nun einen molekularen Ansatz zur Speicherung von Sonnen­energie vor, mit dem es erstmals gelingt, photo­chemische Reaktionen vom Tag-Nacht-Zyklus zu entkoppeln und sie unabhängig vom Tageslicht stattfinden zu lassen. Im Unterschied zu bisherigen Ansätzen, die auf Fest­körper­materialien basieren, erzeugen die Forscher reaktive Photoredox-Äquivalente auf einem kleinen Molekül. Damit können sie die Licht­energie nicht nur über eine zuvor nicht erreichte Dauer von mindestens 14 Stunden speichern, sondern sie bei Bedarf auch regenerieren. 

„Die Abhängigkeit von Helligkeit und Dunkelheit war bislang eine große Hürde, wenn es darum ging, die solar­betriebene Photo­chemie für kontinuierliche industrielle Produktions­prozesse einzusetzen“, erläutert Martin Schulz, der an der Universität Jena sowie in der Abteilung „Funktionale Grenzflächen“ am Leibniz-IPHT forscht. „Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse neue Möglichkeiten eröffnen, um Systeme zur Umwandlung und Speicherung von Sonnen­energie sowie für die Photo(redox)katalyse zu erforschen.“

Im chemischen System, das die Jenaer Forscher im Rahmen des Sonder­forschungs­bereichs „CataLight“ entwickelten, befinden sich der Photo­sensibilisator und die Ladungs­speicher­einheit auf demselben kleinen Molekül. Dies macht den inter­molekularen Ladungs­transfer zwischen einem separaten Sensibilisator und einer Ladungs­speicher­einheit überflüssig. Das System behält auch nach vier Zyklen Dreiviertel seiner Lade­kapazität bei. 

Die Forscher nutzen einen Kupferkomplex und somit ein Molekül, das auf einem gut verfügbaren Metall basiert, während bisherige Ansätze auf seltene und teure Edelmetalle wie Ruthenium zurück­greifen. Der doppelt reduzierte Kupfer­komplex kann nach der photo­chemischen Aufladung gelagert und als Reagenz in Dunkelreaktionen, etwa der Reduktion von Sauerstoff, verwendet werden.

Den Ansatz erarbeiteten die Jenaer Forscher gemeinsam mit Partnern der Universität Ulm, des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoff­forschung Dresden und der Dublin City University. Im Sonder­forschungs­bereich „CataLight“ („Light-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials – Synthesis and Mechanistic Studies“) erforschen Wissenschaftler­teams der Universitäten Jena und Ulm nachhaltige Energie­wandler nach dem Vorbild der Natur. 

Leibniz-IPHT / DE
 

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