Neuer Ansatz zur Speicherung von Lichtenergie Molekül als Nachtspeicher für Sonnenstrahlen

Sonnenenergie auch nachts nutzen – dieses Vorhaben ist gar nicht so einfach, braucht es dazu doch entsprechende Speichermöglichkeiten. Ein Team des Leibniz-IPHT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat nun einen Molekülkomplex als mögliche Lösung untersucht. Damit lässt sich Sonnenenergie für eine Nacht in chemischen Bindungen speichern.

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Jena – Energie aus Sonnenlicht gewinnen ist ein umweltschonender Weg, Strom zu generieren. Dabei gibt es ein offensichtliches Problem: Die Sonne scheint nur tagsüber. Um trotzdem rund um die Uhr Strom aus Sonnenenergie zur Verfügung zu haben, braucht es geeignete Speichermedien.

Die Natur hat das Problem bereits gelöst: In der Photosynthese wandeln Pflanzen Kohlendioxid mithilfe 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 schon länger, diesen Prozess nachzuahmen; allerdings funktioniert die solargetriebene Photochemie mangels geeigneter Speichermöglichkeiten bislang nur bei Helligkeit.

Photochemie im Dunkeln?

Ein 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 Wissenschaftler sozusagen kleine Energieeinheiten, so genannte reaktive Photoredox-Äquivalente, auf einem kleinen Molekül. Damit können sie die Lichtenergie nicht nur über eine nie zuvor 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 Erstautor Dr. 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.“

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Das Geheimnis des Lichtspeicher-Moleküls

Im chemischen System, das die Jenaer Forscher entwickelten, befinden sich der Photosensibilisator und die Ladungsspeichereinheit auf demselben 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 Wissenschaftler 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 seine chemische Energie später wieder abgeben – etwa als Reagenz in Dunkelreaktionen wie der Reduktion von Sauerstoff.

Originalpublikation: Martin Schulz, Nina Hagmeyer, Frerk Wehmeyer, et al.: Photoinduced Charge Accumulation and Prolonged Multielectron Storage for the Separation of Light and Dark Reaction, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 37, 15722–15728; DOI: 10.1021/jacs.0c03779

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