»Solarbatterie« liefert auf Knopfdruck Wasserstoff aus Sonnenenergie

Energie aus Sonnenlicht speichern und noch Tage später in Wasserstoff umwandeln, das kann ein neues Material, das Forschende aus Ulm und Jena gemeinsam entwickelt haben – und das auch bei Dunkelheit. Der Prozess ist reversibel und kann über einen pH-Schalter mehrfach reaktiviert werden. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse im Fachjournal Nature Communications.

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 schließlich »auf Knopfdruck« in Form von Wasserstoff abgeben kann. »Man kann sich das vorstellen wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene«, erklärt Prof. Dr. Sven Rau, der an der Universität Ulm das Institut für Anorganische Chemie I leitet.

Als Material zur temporären Energie- beziehungsweise Elektronenspeicherung wird ein wasserlösliches, 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-Aktivität.

Das von den Ulmer und Jenaer Forschenden entwickelte System erreicht eine Ladeeffizienz von über 80 Prozent und hält 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 Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Leiter des Instituts für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der mit Rau zusammen die Studie koordiniert hat.

Durch Zugabe einer Säure 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 läuft auch im Dunkeln ab, ist also unabhängig davon, ob die Sonne scheint.

Neustart des Systems mit pH-Schalter  

Wird die Lösung anschließend neutralisiert, kann das System erneut belichtet und aufgeladen werden. »Denn die Polymer-basierten Redoxreaktionen sind reversibel und ermöglichen mehrere Lade-, Lager- und Katalyse-Zyklen. Der Vorteil des Verfahrens: Das Polymer muss nicht erst aufwändig isoliert werden. Für ein Reset des Systems muss einfach der pH-Wert des Systems verändert werden«, erläutern die beiden Erstautoren der Studie Marco Hartkorn (Uni Ulm) und Dr. Robin Kampes (Uni Jena). Der pH-Schalter hat nicht nur eine praktische, sondern auch eine schöne Seite: Mit der Entladung in Gegenwart der Säure 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.