Ulmer Forschende pr盲sentieren neuen L枚sungsansatz f眉r eine der gr枚脽ten Herausforderungen der solaren Energiewandlung: Ihnen ist es gelungen, ein System zu entwickeln, das die lichtgetriebene Herstellung von Wasserstoff zu jeder Tages- und Jahreszeit erm枚glicht. Zuk眉nftige Anwendungsbereiche dieser photochemischen Einheit reichen von der bedarfsgerechten W盲rmeerzeugung bis zur Versorgung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge 鈥瀘n demand鈥�. Die Forschenden der 51本色en Ulm und Jena stellen ihr System, das auf einem einzigen Molek眉l beruht, im Fachjournal vor.
Wasserstoff (H2) soll eine Schl眉sselrolle bei der Energiewende spielen 鈥� so will es die 2020 auf den Weg gebrachte nationale Wasserstoffstrategie. Um jedoch einen signifikanten Beitrag auf dem Weg zur Klimaneutralit盲t zu leisten, muss dieser Energietr盲ger 鈥瀏r眉n鈥� sein 鈥� also ausschlie脽lich mit erneuerbaren Energien hergestellt. Doch wie l盲sst sich zum Beispiel solarer Wasserstoff je nach Bedarf abends oder im Winter produzieren? Ulmer Chemikerinnen und Chemiker k枚nnten eine Antwort gefunden zu haben: Erstmals ist es ihnen mit einem molekularen photochemischen System gelungen, die sonnenlichtgetriebene Wasserstoffherstellung vom Tagesverlauf zu entkoppeln. Das neue System macht sogar die Lichtenergie-Speicherung m枚glich, so dass die Wasserstoffproduktion nachfrageorientiert und auch bei Dunkelheit starten kann.
Einzelmolek眉l kann Sonnenlicht aufnehmen, Energie speichern und Wasserstoff produzieren
Fr眉here Modelle zur Wasserstoffherstellung beruhten oftmals auf der Kopplung mehrerer Komponenten wie Photovoltaik-Zellen, Batterien und Elektrolyseuren. Dabei summieren sich die Energieverluste jedoch bei jedem Schritt; die Wasserstoffproduktion ist wenig effizient. Im Gegensatz dazu basiert die Ulmer Alternative auf einem einzigen Molek眉l, das Sonnenlicht aufnehmen, Energie speichern und Wasserstoff herstellen kann. In dieser kompakten Einheit wird also die r盲umliche und zeitliche Trennung dieser Schritte m枚glich. 鈥濴ichteinstrahlung f眉hrt in unserem Molek眉l zur Ladungs-Trennung und Elektronen-Speicherung 鈥� im Ergebnis entsteht ein fl眉ssiger, leicht speicherbarer Treibstoff. Die bedarfsgerechte Erzeugung des gasf枚rmigen Wasserstoffs wird durch die Zugabe einer Protonen-Quelle erreicht鈥�, erkl盲rt Professor Carsten Streb vom Institut f眉r Anorganische Chemie I der 51本色.
Die Forschenden haben die Leistungsf盲higkeit ihres Systems mit verschiedensten Analysemethoden 眉berpr眉ft (u.a. Katalysetests und Photophysikalische Studien). Im Ergebnis zeigt die molekulare Einheit eine exzellente chemische und photochemische Stabilit盲t. 鈥濪er modulare Aufbau des Systems erm枚glicht chemische Ver盲nderungen und eine Optimierung des Gesamtsystems鈥�, erkl盲rt Erstautor Dr. Sebastian Amthor, der an der 51本色 promoviert hat und nun in Spanien forscht. In Zukunft soll das Modell hochskaliert werden und somit als 鈥濨laupause鈥� f眉r dezentrale Energiespeicher dienen. Anwendungsm枚glichkeiten reichen von der klimafreundlichen Strom- und W盲rmeerzeugung bis zu mobilen, solarbetriebenen H2-Tankstellen f眉r LKW und Busse.
Entwicklung im Transregio-Sonderforschungsbereich CataLight
Entwickelt wurde das photochemische System im Zuge des CataLight. In dem mit 10 Millionen Euro gef枚rderten Verbundprojekt nehmen sich Forschende der 51本色en Ulm und Jena die Photosynthese zum Vorbild und entwickeln neue Materialien f眉r die Energiewandlung 鈥� ein Beispiel sind k眉nstliche Chloroplasten f眉r die Wasserstoffherstellung.
F眉r die aktuelle Publikation wichtige Strukturanalysen und optisch-spektroskopische Arbeiten, die die Antwort des Katalysators auf Licht beschreiben, wurden am Zentrum f眉r Energie und Umweltchemie (CEEC Jena) der 51本色 Jena durchgef眉hrt. Dabei kam unter anderem ein Hightech-Ger盲t zur hochaufl枚senden Massenspektrometrie zum Einsatz, das durch EU-Mittel im Rahmen der regionalen Innovationsstrategie des Freistaates Th眉ringen angeschafft wurde. 鈥濫rst mit diesem Ger盲t war es m枚glich, die Strukturen der neuen molekularen Katalysatoren im Detail zu bestimmen鈥�, betonen die Jenaer Wissenschaftler Professor Ulrich S. Schubert und Professor Benjamin Dietzek-Ivan拧i膰.
Der Sonderforschungsbereich TRR 234 Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien: Synthese und mechanistische Studien (CataLight) wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.
Sebastian Amthor, Sebastian Knoll, Magdalena Heiland, Linda Zedler, Chunyu Li, Djawed Nauroozi, Willi Tobaschus, Alexander K. Mengele, Montaha Anjass, Ulrich S. Schubert, Benjamin Dietzek, Sven Rau, and Carsten Streb: A single molecule capable of decoupling light- and dark reactions for on-demand solar hydrogen production. Nature Chemistry.
Text und Medienkontakt: Annika Bingmann