Die Energie aus der Sonne so effizient zu nutzen und in chemische Energie umzuwandeln wie es die Natur macht, k\u00f6nnte den weltweiten CO2-Aussto\u00df drastisch verringern. Ein Forschungsteam des Leibniz-Instituts f\u00fcr Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universit\u00e4t Jena ist dieser Vision nun einen Schritt n\u00e4her gekommen. Die Forschenden haben ein chemisches System entwickelt, das Lichtenergie sammelt und f\u00fcr mindestens 14 Stunden auf einem Molek\u00fcl speichert. Damit entkoppelt ihr System auf der Basis eines Kupferkomplexes photochemische Prozesse vom Tag-Nacht-Zyklus \u2014 und \u00fcberwindet somit eine H\u00fcrde, die solarbetriebene Photochemie f\u00fcr kontinuierliche industrielle Produktionsprozessen bislang ungeeignet machte. Die Ergebnisse ver\u00f6ffentlichten die Forschenden Ende August 2020 im renommierten \u201eJournal of the American Chemical Society\u201c.<\/p>\n
Die Natur hat das Problem bereits gel\u00f6st: In der Photosynthese wandeln Pflanzen Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenlicht in chemische Verbindungen um \u2014 und zwar so, dass die in chemischen Bindungen gespeicherte Sonnenenergie auch dann zur Verf\u00fcgung steht, wenn es dunkel ist. Forschende versuchen, diesen Prozess nach dem Vorbild der Natur nachzuahmen; allerdings funktioniert die solargetriebene Photochemie mangels geeigneter Speicherm\u00f6glichkeiten bislang nur bei Helligkeit.
\nMolekularer Ansatz erm\u00f6glicht lichtgetriebene Photochemie erstmals im Dunkeln<\/p>\n
Das Forschungsteam vom Leibniz-IPHT und der Universit\u00e4t 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 unabh\u00e4ngig vom Tageslicht stattfinden zu lassen. Im Unterschied zu bisherigen Ans\u00e4tzen, die auf Festk\u00f6rpermaterialien basieren, erzeugen die Forschenden reaktive Photoredox-\u00c4quivalente auf einem kleinen Molek\u00fcl. Damit k\u00f6nnen sie die Lichtenergie nicht nur \u00fcber eine zuvor nicht erreichte Dauer von mindestens 14 Stunden speichern, sondern sie bei Bedarf auch regenerieren.<\/p>\n
\u201eDie Abh\u00e4ngigkeit von Helligkeit und Dunkelheit war bislang eine gro\u00dfe H\u00fcrde, wenn es darum ging, die solarbetriebene Photochemie f\u00fcr kontinuierliche industrielle Produktionsprozesse einzusetzen\u201c, erl\u00e4utert Erstautor Dr. Martin Schulz, der an der Universit\u00e4t Jena sowie in der Abteilung \u201eFunktionale Grenzfl\u00e4chen\u201c am Leibniz-IPHT forscht. \u201eWir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse neue M\u00f6glichkeiten er\u00f6ffnen, um Systeme zur Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie sowie f\u00fcr die Photo(redox)katalyse zu erforschen.\u201c<\/p>\n
Hohe Ladekapazit\u00e4t auch nach mehreren Zyklen<\/p>\n
Im chemischen System, das die Jenaer Forschenden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs \u201eCataLight\u201c entwickelten, befinden sich der Photosensibilisator und die Ladungsspeichereinheit auf demselben kleinen Molek\u00fcl. Dies macht den intermolekularen Ladungstransfer zwischen einem separaten Sensibilisator und einer Ladungsspeichereinheit \u00fcberfl\u00fcssig. Das System beh\u00e4lt auch nach vier Zyklen Dreiviertel seiner Ladekapazit\u00e4t bei.<\/p>\n
Die Forschenden nutzen einen Kupferkomplex und somit ein Molek\u00fcl, das auf einem gut verf\u00fcgbaren Metall basiert, w\u00e4hrend bisherige Ans\u00e4tze auf seltene und teure Edelmetalle wie Ruthenium zur\u00fcckgreifen. Der doppelt reduzierte Kupferkomplex kann nach der photochemischen Aufladung gelagert und als Reagenz in Dunkelreaktionen, etwa der Reduktion von Sauerstoff, verwendet werden.<\/p>\n
Den Ansatz erarbeiteten die Jenaer Forschenden gemeinsam mit Partnern der Universit\u00e4t Ulm, des Leibniz-Instituts f\u00fcr Festk\u00f6rper- und Werkstoffforschung Dresden und der Dublin City University. Im Sonderforschungsbereich \u201eCataLight\u201c (\u201eLight-driven Molecular Catalysts in Hierarchically Structured Materials \u2013 Synthesis and Mechanistic Studies\u201c), in dem Wissenschaftlerteams der Universit\u00e4ten Jena und Ulm nachhaltige Energiewandler nach dem Vorbild der Natur erforschen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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