Messaufbau zur Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften, z.B. von Kupfer(I)-Komplexen.

Chemische Speicher von Sonnenenergie

Forschungsteam von Leibniz-IPHT und Universität Jena stellt neuartigen Ansatz vor
Messaufbau zur Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften, z.B. von Kupfer(I)-Komplexen.
Foto: Martin Schulz
  • Light

Meldung vom: 16. September 2020, 12:46 Uhr | Verfasser/in: Lavinia Meier-Ewert | Zur Original-Meldung

Die Energie aus der Sonne so effizient zu nutzen und in chemische Energie umzuwandeln wie es die Natur macht, könnte den weltweiten CO2-Ausstoß drastisch verringern. Ein Forschungsteam des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist dieser Vision nun einen Schritt näher gekommen. Die Forschenden haben ein chemisches System entwickelt, das Lichtenergie sammelt und für mindestens 14 Stunden auf einem Molekül speichert. Damit entkoppelt ihr System auf der Basis eines Kupferkomplexes photochemische Prozesse vom Tag-Nacht-Zyklus — und überwindet somit eine Hürde, die solarbetriebene Photochemie für kontinuierliche industrielle Produktionsprozessen bislang ungeeignet machte. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden Ende August 2020 im renommierten „Journal of the American Chemical Society“.

Die Natur hat das Problem bereits gelöst: In der Photosynthese wandeln Pflanzen Kohlendioxid mit Hilfe 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. Forschende versuchen, diesen Prozess nach dem Vorbild der Natur nachzuahmen; allerdings funktioniert die solargetriebene Photochemie mangels geeigneter Speichermöglichkeiten bislang nur bei Helligkeit.

Molekularer Ansatz ermöglicht lichtgetriebene Photochemie erstmals im Dunkeln

Das Forschungsteam 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 Forschenden reaktive Photoredox-Äquivalente auf einem kleinen Molekül. Damit können sie die Lichtenergie nicht nur über eine zuvor nicht erreichte Dauer von mindestens 14 Stunden speichern, sondern sie bei Bedarf auch regenerieren.

Lichtgetriebene Elektronenaufnahme durch einen Kupfer(I)-4H-Imidazolatkomplex, Speicherung für einen halben Tag und Elektronenabgabe in einer Dunkelreaktion. Lichtgetriebene Elektronenaufnahme durch einen Kupfer(I)-4H-Imidazolatkomplex, Speicherung für einen halben Tag und Elektronenabgabe in einer Dunkelreaktion. Grafik: Martin Schulz

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.“

Photoreaktor für die Untersuchung lichtgetriebener Reaktionen, z.B. die Photoreduktion von Kupfer(I)-Komplexen. Photoreaktor für die Untersuchung lichtgetriebener Reaktionen, z.B. die Photoreduktion von Kupfer(I)-Komplexen. Foto: Martin Schulz

Hohe Ladekapazität auch nach mehreren Zyklen

Im chemischen System, das die Jenaer Forschenden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „CataLight“ entwickelten, befinden sich der Photosensibilisator und die Ladungsspeichereinheit auf demselben kleinen 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 Forschenden 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 als Reagenz in Dunkelreaktionen, etwa der Reduktion von Sauerstoff, verwendet werden.

Den Ansatz erarbeiteten die Jenaer Forschenden gemeinsam mit Partnern der Universität Ulm, des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der Dublin City University. Im Sonderforschungsbereich „CataLight“ („Light-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials – Synthesis and Mechanistic Studies“), in dem Wissenschaftlerteams der Universitäten Jena und Ulm nachhaltige Energiewandler nach dem Vorbild der Natur erforschen.

Information

Original-Publikation:

Martin Schulz, Nina Hagmeyer, Frerk Wehmeyer, et al. (2020), Photoinduced Charge Accumulation and Prolonged Multielectron Storage for the Separation of Light and Dark Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2020, August 22, 2020. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03779

Kontakt:

Martin Schulz, Dr.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Dr. Martin Schulz
Telefon
+49 3641 9-48396
Raum K007A
Helmholtzweg 4
07743 Jena
Diese Seite teilen
Die Uni Jena in den sozialen Medien:
Ausgezeichnet studieren:
  • Logo der Initiative "Total E-Quality"
  • Logo des Best Practice-Club "Familie in der Hochschule"
  • Logo des Projekts "Partnerhochschule des Spitzensports"
  • Qualitätssiegel der Stiftung Akkreditierungsrat - System akkreditiert
Zurück zum Seitenanfang