Neuer Ansatz ebnet den Weg zur effizienten Aufnahme und Speicherung von Solarenergie

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Energiespeicherung in chemischen Bindungen unter Verwendung eines großen Bereichs des Sonnenspektrums | Copyright: Abb./©: Till Zähringer / JGU | Download

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) macht Wärme rund 50 Prozent des globalen Endenergieverbrauchs aus. Dennoch ist die Nutzung von Solarenergie in diesem Bereich im Vergleich zu fossilen Energiequellen nach wie vor gering. Ein zentrales Problem, das die umfassende Verwendung von Solarenergie einschränkt, ist die Unbeständigkeit ihrer direkten Verfügbarkeit. Eine vielversprechende Lösung bieten molekulare Energiespeichersysteme für Solarenergie. Während herkömmliche Methoden Energie nur für kurze Zeiträume speichern – beispielsweise in Form von heißem Wasser –, speichern diese Systeme Solarenergie in Form chemischer Bindungen, die über Wochen oder sogar Monate stabil bleiben. Die spezialisierten Moleküle, bekannt als "Photoschalter", absorbieren Sonnenlicht und geben die Energie bei Bedarf später als Wärme ab. Eine wesentliche Herausforderung für die aktuellen Photoschalter besteht jedoch darin, dass eine hohe Energiespeicherkapazität und eine effiziente Absorption von Sonnenlicht nicht gleichzeitig erreicht werden können, was die Gesamtleistung erheblich einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, präsentieren nun Forschungsgruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Universität Siegen in einer gemeinsamen Studie einen innovativen Ansatz.

Entkopplung des Absorptions- und Speicherprozesses von Solarenergie

Eine neuartige Klasse von Photoschaltern wurde erstmals von der Gruppe um Prof. Dr. Heiko Ihmels an der Uni Siegen vorgestellt. Sie zeigt ein außergewöhnliches Potenzial zur Energiespeicherung, das mit dem von konventionellen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist. Zunächst war der Einsatz der Verbindungen jedoch auf die Aktivierung durch UV-Strahlung beschränkt, die lediglich einen kleinen Teil des Sonnenspektrums ausmacht. Die Forschungsteams haben nun eine indirekte Methode zur Lichtabsorption entwickelt, die der Energieaufnahme bei der Photosynthese durch den "Lichtsammelkomplex" ähnelt. Hierbei kommt ein zweites Molekül zum Einsatz, das hervorragende Eigenschaften zur Absorption von sichtbarem Licht aufweist, ein sogenannter Sensibilisator. "Bei diesem Ansatz absorbiert der Sensibilisator Licht und überträgt anschließend die Energie auf den Photoschalter, der unter diesen Bedingungen nicht direkt angeregt werden kann", erklärt Prof. Dr. Christoph Kerzig. Diese neue Strategie hat die Effizienz der Solarenergiespeicherung um mehr als eine Größenordnung gesteigert und stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Forschung im Bereich der Energieumwandlung dar. Die potenziellen Anwendungen dieser Systeme reichen von einfachen Hausheizungen bis hin zu groß angelegten Energiespeichern und bieten einen vielversprechenden Weg zum nachhaltigen Energiemanagement.

Mechanistische Studien waren für die Entdeckung und Optimierung der Reaktion unerlässlich

Das Forschungsteam unter der Leitung von Christoph Kerzig und seinem Doktoranden Till Zähringer führte umfassende spektroskopische Analysen durch, um das komplexe System und die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen. Jeder Reaktionsschritt wurde sorgfältig von Erstautor Till Zähringer analysiert, wodurch ein fundiertes Verständnis darüber entstand, wie das System funktioniert. "Auf diese Weise konnten wir nicht nur die Lichtaufnahme erheblich verbessern, sondern auch die Effizienz der Umwandlung von Licht in gespeicherte chemische Energie steigern", so Zähringer. So kann nun unter den neuen Bedingungen jedes absorbierte Photon die Bildung einer neuen chemischen Bindung auslösen, was aufgrund einiger Energieverlustmechanismen in photochemischen Reaktionen selten beobachtet wird.

Die Wissenschaftler konnten die Robustheit und Praktikabilität des Systems erfolgreich validieren, indem sie das System mehrfach zwischen den Zuständen der Energiespeicherung und Energieabgabe unter Verwendung von Sonnenlicht schalteten. Dies unterstreicht das Potenzial für praktische Anwendungen im täglichen Leben. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht, wo die Arbeit aufgrund außergewöhnlich positiver Bewertungen durch wissenschaftliche Gutachter als "Hot Paper" eingestuft wurde. Dieses Projekt erhielt Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), die Christoph Kerzig eine Projektförderung und Till Zähringer ein Stipendium gewährten. Weitere Unterstützung kam vom "House of Young Talents" und der Stiftung Nagelschneider der Universität Siegen.

Bildmaterial:
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Energiespeicherung in chemischen Bindungen unter Verwendung eines großen Bereichs des Sonnenspektrums
Abb./©: Till Zähringer / JGU

Weiterführende Links:
• https://www.chemie.uni-mainz.de/ - Department Chemie an der JGU
• https://susinnoscience.uni-mainz.de/ - Profilbereich SusInnoScience an der JGU
• https://www.mpgc-mainz.de/461503/sustainable-photochemistry-photophysics - Focus Group "Sustainable Photochemistry & Photophysics" am Max Planck Graduate Center mit der JGU
• https://www.dbu.de/en/promotionsstipendium/20022-028/ - Promotionsstipendium der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für Till Zähringer
• https://gepris-extern.dfg.de/gepris/projekt/466117789 - DFG-Förderung für "PhotonUp4Cat"

Lesen Sie mehr:
• https://presse.uni-mainz.de/herausragende-umwandlung-von-licht-in-chemische-energie-mit-coulomb-dyaden/ - Pressemitteilung "Herausragende Umwandlung von Licht in chemische Energie mit Coulomb-Dyaden" (11.09.2024)
• https://presse.uni-mainz.de/nachhaltige-alternative-fuer-energieintensive-photochemie/ - Pressemitteilung "Nachhaltige Alternative für energieintensive Photochemie" (30.11.2022)
• https://presse.uni-mainz.de/weiterer-durchbruch-auf-dem-weg-zu-nachhaltigerer-photochemie-gelungen/ - Pressemitteilung "Weiterer Durchbruch auf dem Weg zu nachhaltigerer Photochemie gelungen" (02.06.2022)

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Christoph Kerzig
Department Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22479
E-Mail: ckerzig@uni-mainz.de
https://www.ak-kerzig.chemie.uni-mainz.de/

Originalpublikation:
T. J. B. Zähringer et al., Triplet-Sensitized Switching of High-Energy-Density Norbornadienes for Molecular Solar Thermal Energy Storage with Visible Light, Angewandte Chemie International Edition, 9. September 2024,
DOI: 10.1002/anie.202414733
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202414733