Grüner Wasserstoff ist einer der wichtigsten Pfeiler der Energiewende. Hergestellt wird er mit Hilfe photokatalytischer Verfahren aus Sonnenlicht. Mittlerweile gibt es zwar eine Vielzahl an Technologien zur Umwandlung und Speicherung von Solarenergie in chemische Energie. Doch nun ist es erstmals gelungen, ein Material zu entwickeln, das die Energie des Sonnenlichts über mehrere Tage zu speichern und schlie?lich ?auf Knopfdruck“ in Form von Wasserstoff abgeben kann. ?Man kann sich das vorstellen wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene“, erkl?rt Professor Sven Rau, der an der Universit?t Ulm das Institut für Anorganische Chemie I leitet.

Als Material zur tempor?ren Energie- beziehungsweise Elektronenspeicherung wird ein wasserl?sliches, Redox-aktives Copolymer eingesetzt. Copolymere sind Makromoleküle, die aus unterschiedlichen organischen Bausteinen bestehen. Sie bilden ein stabiles Gerüst und wurden mit funktionellen Einheiten ausgerüstet, die bestimmte chemisch-physikalische Eigenschaften mitbringen – in diesem Fall eine starke Redox-Aktivit?t. Das von den Ulmer und Jenaer Forschenden entwickelte System erreicht eine Ladeeffizienz von über 80 Prozent und h?lt diesen Zustand mehrere Tage lang. ?Bei Bedarf rufen wir die chemische Energie in Form von Wasserstoff wieder ab. Dafür werden die gespeicherten Elektronen gezielt wieder genutzt“, so Professor Ulrich S. Schubert, Leiter des Instituts für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena, der mit Rau zusammen die Studie koordiniert hat. Durch Zugabe einer S?ure und eines Wasserstoffentwicklungs-Katalysators werden die im Polymer gespeicherten Elektronen mit Protonen kombiniert – mit diesem Verfahren entsteht Wasserstoff ?On Demand“. Der Wirkungsgrad ist erstaunlich hoch und liegt bei 72 Prozent. Ebenfalls sehr vorteilhaft: Dieser Prozess l?uft auch im Dunkeln ab, ist also unabh?ngig davon, ob die Sonne scheint.

Neustart des Systems mit pH-Schalter

Wird die L?sung anschlie?end neutralisiert, kann das System erneut belichtet und aufgeladen werden. ?Denn die Polymer-basierten Redoxreaktionen sind reversibel und erm?glichen mehrere Lade-, Lager- und Katalyse-Zyklen. Der Vorteil des Verfahrens: Das Polymer muss nicht erst aufw?ndig isoliert werden. Für ein Reset des Systems muss einfach der pH-Wert des Systems ver?ndert werden“, erl?utern die beiden Erstautoren der Studie Marco Hartkorn (Uni Ulm) und Dr. Robin Kampes (FSU Jena). Der pH-Schalter hat nicht nur eine praktische, sondern auch eine sch?ne Seite: Mit der Entladung in Gegenwart der S?ure kommt es zu einem Farbumschlag von violett zu gelb, wird danach wieder mittels Licht beladen, wird das Gelb zu Violett und die Batterie ist wieder ?scharf“ geschaltet.

Neue Wege mit einer industriellen Perspektive

?Wissenschaftlich bedeutsam ist das Projekt au?erdem, weil es ganz unterschiedliche Konzepte aus der Chemie kombiniert, die ansonsten wenig Berührungspunkte haben: n?mlich die makromolekulare Polymer-Chemie und die Photokatalyse“, sagt Professor Sven Rau. Die Forscher und Forscherinnen sind fest davon überzeugt, dass solche Methoden zur sogenannten ?On Demand“-Wasserstoffentwicklung auch für energieintensive industrielle Prozesse genutzt werden k?nnten – beispielsweise für die klimaneutrale Stahlproduktion, die auf eine verl?ssliche Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen ist. ?Die Ergebnisse er?ffnen neue Perspektiven für kostengünstige, skalierbare solare Speichertechnologien – und liefern einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft“, hebt Professor Ulrich Schubert hervor. Realisiert wurde das Projekt, an dem auch Forschende des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena beteiligt waren, im Rahmen des gemeinsamen Sonderforschungsbereich TRR/SFB 234 ?CataLight“ der Universit?ten Ulm und Jena.

??ber den Transregio-Sonderforschungsbereich 234 CataLight

Der gemeinsame Transregio-SFB ?Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien“ – kurz CataLight – der Universit?t Ulm und der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena widmet sich innovativen und nachhaltigen Methoden der Photokatalyse. Dabei geht es zentral um die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie beziehungsweise um die Herstellung von ?grünem“ Wasserstoff aus Sonnenlicht. Projektpartner von CataLight sind die Universit?t Wien, das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. in Jena. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft f?rdert den Verbund im Zeitraum 2023 bis 2026 mit mehr als zw?lf Millionen Euro.