Ein Team von Wissenschaftlern aus den Universitäten Ulm und Jena hat eine bahnbrechende Technologie entwickelt, die es ermöglicht, Sonnenenergie in Wasserstoff umzuwandeln und diesen auf Abruf bereitzustellen. Das neuartige System, das kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, nutzt ein wasserlösliches Copolymer, das die Speicherung von solarer Energie über mehrere Tage ermöglicht. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigen Energiewirtschaft und könnte das Potenzial haben, die Energieerzeugung und -speicherung grundlegend zu verändern.
Der Schlüssel zu dieser Technologie ist ein neuartiges Material, das eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene darstellt. Professor Sven Rau, Direktor des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm, beschreibt das Material als Redox-aktives Copolymer, das aus verschiedenen organischen Komponenten besteht. Diese Struktur ermöglicht es, chemische Energie effizient zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen. Es hat sich gezeigt, dass das System eine Ladeeffizienz von über 80 Prozent erreicht und diese Energie über mehrere Tage hinweg gespeichert werden kann.
Der Prozess zur Rückgewinnung des Wasserstoffs ist bemerkenswert effektiv und kann auf einfache Weise gesteuert werden. Um Wasserstoff zu erzeugen, werden die im Polymer gespeicherten Elektronen mit Protonen kombiniert, was durch die Zugabe einer Säure und eines Katalysators zur Wasserstoffproduktion geschieht. Dies ermöglicht eine Wasserstoffproduktion „auf Knopfdruck“ mit einem Wirkungsgrad von 72 Prozent, was die Technologie besonders attraktiv macht, da sie unabhängig von Tageslicht funktioniert. Diese Eigenschaft könnte die Nutzung von Solarenergie revolutionieren, indem sie die Abhängigkeit von Sonnenschein verringert und eine kontinuierliche Energieversorgung ermöglicht.
Ein weiterer innovativer Aspekt dieser Technologie ist die Möglichkeit, das System durch einfaches Ändern des pH-Wertes zurückzusetzen. Wenn die Lösung neutralisiert wird, kann das Copolymer erneut mit Licht beladen werden, um die gespeicherte Energie zurückzugewinnen. Diese reversiblen Redoxreaktionen erlauben mehrere Lade- und Entladezyklen, ohne dass das Material aufwendig isoliert oder regeneriert werden muss. Darüber hinaus führt die Entladung in Gegenwart einer Säure zu einem sichtbaren Farbwechsel von Violett zu Gelb, während die Rückladung das Gelb wieder in Violett verwandelt. Dies bietet nicht nur eine visuelle Darstellung des Ladezustands, sondern macht das System auch benutzerfreundlicher.
Die wissenschaftliche Bedeutung dieses Projekts liegt in der Kombination verschiedener chemischer Konzepte, die zuvor wenig miteinander in Berührung kamen, nämlich der makromolekularen Polymerchemie und der Photokatalyse. Professor Ulrich S. Schubert, Leiter des Instituts für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, betont, dass diese neue Methode zur Wasserstoffproduktion auch für energieintensive Industrien von Bedeutung sein könnte, wie beispielsweise der klimaneutralen Stahlproduktion, die auf eine zuverlässige Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen ist.
Das Projekt, das auch Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena einbezieht, wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR/SFB 234 „CataLight“ der Universitäten Ulm und Jena realisiert. Dieser Forschungsverbund zielt darauf ab, innovative und nachhaltige Methoden der Photokatalyse zu entwickeln, insbesondere zur Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie und zur Herstellung von grünem Wasserstoff.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung dieses Copolymers eine vielversprechende Perspektive für kosteneffiziente und skalierbare Speichertechnologien eröffnet. Diese Fortschritte könnten nicht nur zur Reduzierung von CO2-Emissionen beitragen, sondern auch einen wesentlichen Baustein für eine nachhaltige, chemiebasierte Energiewirtschaft darstellen. Die kontinuierliche Forschung in diesem Bereich ist entscheidend, um die Möglichkeiten von Solarenergie und Wasserstofftechnologien weiter zu erschließen und zukünftige Energielösungen zu gestalten.
