Forscher der Universität Ulm haben eine Solarbatterie entwickelt, die Energie über mehrere Tage speichern und in Form von Wasserstoff ausgeben kann. Hintergrund ist ein neu entwickeltes Polymer.
Forscher der Universitäten Ulm und Jena haben ein neuartiges Material entwickelt, das die Energie des Sonnenlichts über mehrere Tage speichert und bei Bedarf als Wasserstoff abgibt. Professor Sven Rau von der Universität Ulm und Professor Ulrich S. Schubert von der Universität Jena koordinierten eine interdisziplinäre Studie.
Die Ergebnisse erschienen kürzlich im Fachjournal Nature Communications. Das System funktioniert dabei wie eine Kombination aus Solarzelle und Batterie auf molekularer Ebene. Dazu setzt das Forscherteam ein wasserlösliches, redoxaktives Copolymer als Medium für die temporäre Speicherung von Elektronen ein. Diese speziellen Makromoleküle bestehen aus unterschiedlichen organischen Bausteinen, die ein stabiles Gerüst bilden.
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Die funktionellen Einheiten innerhalb dieser Struktur verleihen dem Material eine starke Redoxaktivität. Das System fängt die Energie des Sonnenlichts ein und hält diesen geladenen Zustand mehrere Tage lang stabil. Die Ladeeffizienz des neu entwickelten Materials liegt dabei bei über 80 Prozent.
Solarbatterie liefert Wasserstoff auf Knopfdruck – auch bei Dunkelheit
Wer eine Säure und einen speziellen Katalysator hinzufügt, setzt die im Polymer gespeicherten Elektronen gezielt wieder frei. In diesem chemischen Prozess kombinieren sich die Elektronen mit Protonen zu grünem Wasserstoff. Dieser Vorgang erzielt bei der On-Demand-Gewinnung einen Wirkungsgrad von etwa 72 Prozent.
Ein entscheidender Vorteil für die Flexibilität der Energienutzung ist die Unabhängigkeit vom Sonnenlicht. Da die Energie zuvor im Polymer gespeichert wurde, läuft die Wasserstoffproduktion bei Bedarf auch bei völliger Dunkelheit ab. Das System liefert den sauberen Energieträger damit genau dann, wann industrielle Prozesse ihn anfordern.
Ein pH-Schalter ermöglicht es, das gesamte System für neue Lade- und Lagerzyklen einfach zu reaktivieren. Eine Veränderung des Säuregehalts neutralisiert die Lösung und bereitet das Material für eine erneute Belichtung vor. Die Polymer-basierten Redoxreaktionen verlaufen vollständig reversibel und erlauben mehrere Durchläufe.
Grüner Wasserstoff für die Stahlindustrie
Besonders praktisch für die technische Anwendung ist, dass das Polymer für diesen Reset nicht aufwendig isoliert werden muss. Der aktuelle Zustand der molekularen Batterie lässt sich zudem direkt mit bloßem Auge ablesen. Bei der Entladung in Gegenwart der Säure findet ein deutlicher Farbumschlag von Violett nach Gelb statt. Sobald Licht das Material wieder belädt, kehrt die violette Farbe zurück.
Die bedarfsgerechte Wasserstoffentwicklung könnte künftig energieintensive Prozesse wie die klimaneutrale Stahlproduktion unterstützen. Solche Industriezweige sind auf eine absolut verlässliche und zeitlich flexible Versorgung mit grünem Wasserstoff angewiesen. Die Forschungsergebnisse eröffnen damit neue Perspektiven für kostengünstige und skalierbare solare Speichertechnologien.
Das Projekt stellt einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einer nachhaltigen, chemisch basierten Energiewirtschaft dar. Realisiert wurde die Arbeit im Rahmen des gemeinsamen Sonderforschungsbereichs TRR/SFB 234 „CataLight“ der Universitäten Ulm und Jena. Der Verbund widmet sich innovativen Methoden der Photokatalyse zur Herstellung von Energieträgern aus Sonnenlicht.
Förderung der Forschung bis 2026
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Netzwerk CataLight im Zeitraum bis 2026 mit über zwölf Millionen Euro. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt liegt auf lichtgetriebenen molekularen Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien. Dies beschreibt den präzisen Aufbau des Speichermediums von der molekularen Ebene bis hin zur sichtbaren Materialstruktur.
Zu den Projektpartnern gehören neben den Universitäten Ulm und Jena auch die Universitäten in Wien und Mainz. Ebenfalls beteiligt sind das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena. Die Forschenden untersuchen in diesem Verbund komplexe Synthesen und die mechanistischen Hintergründe der Energieumwandlung.
Durch die Bündelung dieser Expertisen aus der makromolekularen Chemie und der Photokatalyse entstehen neue Ansätze für die Energiewirtschaft. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen das Potenzial, Sonnenlicht effizient einzufangen und chemisch für die Zukunft zu konservieren.
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