Energie aus Sonnenlicht gewinnen, speichern und zeitversetzt in Wasserstoff umwandeln – dieses Ziel verfolgen zahlreiche Forschungsansätze weltweit. Ein Team der Universität Ulm und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun ein Material entwickelt, das genau dies ermöglicht: Ein wasserlösliches, redoxaktives Copolymer kann Sonnenenergie über mehrere Tage speichern und bei Bedarf in Form von Wasserstoff wieder freisetzen. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
„Man kann sich das vorstellen wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene“, erklärt Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie an der Universität Ulm. Im Unterschied zu klassischen photokatalytischen Systemen, bei denen Licht unmittelbar zur Wasserstofferzeugung genutzt wird, trennt das neue Konzept die Schritte von Energieaufnahme und -nutzung zeitlich voneinander. Kern des Systems ist ein wasserlösliches Copolymer, also ein Makromolekül. Es besteht aus dunterschiedlichen organischen Bausteinen besteht. Sie bilden ein stabiles Gerüst, das mit funktionellen Einheiten ausgestattet wurde, die eine ausgeprägte Redox-Aktivität besitzen.
Chemische Energie in Form von Wasserstoff abrufbar
Während der Belichtung mit Sonnenlicht werden Elektronen im Polymer gespeichert . Das geschieht mit einer Ladeeffizienz von über 80 %. Bemerkenswert dabei ist, dass dieser geladene Zustand über mehrere Tage stabil bleibt. „Bei Bedarf rufen wir die chemische Energie in Form von Wasserstoff wieder ab. Dafür werden die gespeicherten Elektronen gezielt wieder genutzt“, erläutert Professor Ulrich S. Schubert, Leiter des Instituts für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie in Jena, der die Studie gemeinsam mit Rau koordiniert hat. Durch Zugabe einer Säure und eines Wasserstoffentwicklungs-Katalysators lassen sich die im Polymer gespeicherten Elektronen mit Protonen kombinierten. Das Resultat ist molekularer Wasserstoff – „on demand“, also auf Abruf.
Unabhängig von volantilen Einflüssen
Der Wirkungsgrad dieses Entladeprozesses liegt nach Angaben der Forschenden bei 72 %. Ein weiterer Vorteil: Die Wasserstofferzeugung erfolgt unabhängig von aktueller Sonneneinstrahlung. Der Prozess läuft auch im Dunkeln ab. Denn die zuvor gespeicherten Elektronen treiben die Reaktion an. Damit unterscheidet sich das System von vielen bisherigen photokatalytischen Ansätzen, die zwingend eine kontinuierliche Lichtzufuhr erfordern. Besonders innovativ ist die Reversibilität des Verfahrens. Wird die Lösung nach der Wasserstofffreisetzung neutralisiert, lässt sich das Polymer erneut belichten und aufladen. „Die polymerbasierten Redoxreaktionen sind reversibel und ermöglichen mehrere Lade-, Lager- und Katalyse-Zyklen. Für ein Reset des Systems muss einfach der pH-Wert verändert werden“, erklären die Erstautoren Marco Hartkorn (Ulm) und Dr. Robin Kampes (Jena). Eine aufwendige Isolierung oder Regeneration des Materials ist nicht erforderlich.
Farbe zeigt Ladezustand der „molekularen Batterie“
Der pH-Schalter hat dabei nicht nur funktionale , sondern auch visuelle Effekte: Während der Entladung in Gegenwart von Säure ändert sich die Farbe der Lösung von Violett zu Gelb. Nach erneuter Belichtung wechselt sie wieder zurück zu Violett – ein sichtbares Zeichen für den Ladezustand der „molekularen Batterie“. Wissenschaftlich bedeutsam ist das Projekt auch, weil es unterschiedliche Disziplinen zusammenführt. „Wir kombinieren makromolekulare Polymerchemie mit Konzepten der Photokatalyse – Bereiche, die bislang nur wenige Berührungspunkte hatten“, sagt Rau. Die Verbindung beider Ansätze eröffnet neue Möglichkeiten für speicherbasierte, lichtgetriebene Energiesysteme.
„On-Demand“-Wasserstoffentwicklung ideal für energieintensive Prozesse
Die Forschenden halten ihre Technologie nicht nur für ein interessantes Laborkonzept. Sie haben auch industrielle Perspektiven im Blick. Verfahren zur „On-Demand“-Wasserstoffentwicklung könnten insbesondere für energieintensive Prozesse relevant sein, etwa in der klimaneutralen Stahlproduktion oder in der chemischen Industrie, die auf eine verlässliche Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen ist. Durch die zeitliche Entkopplung von Energiegewinnung und -nutzung ließen sich Lastspitzen ausgleichen und Produktionsprozesse flexibler gestalten.
Forschungsergebnisse eröffnen neue Perspektiven
Realisiert haben die Wissenschaftler das Projekt im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR/SFB 234 „CataLight“, eines gemeinsamen Transregio-Verbunds der Universitäten Ulm und Jena. Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts ist es, lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien zu entwickeln und mechanistisch zu verstehen. An dem Projekt beteiligt sind zudem Partner wie die Universität Wien, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena.
„Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für kostengünstige, skalierbare solare Speichertechnologien – und liefern einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft“, betont Schubert. Die Wissenschaftler wollen nun weiter erforschen, wie sich das Konzept in großtechnische Anwendungen übertragen lässt.
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