21.09.2020 - Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.

Neuartiger Ansatz 
zur Speicherung von Sonnenenergie

Molekularer Ansatz ermöglicht lichtgetriebene Photochemie erstmals im Dunkeln

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 und der Universität Jena ist dieser Vision nun einen Schritt näher gekommen. Die Forscher haben ein chemisches System entwickelt, das Lichtenergie sammelt und für mindestens 14 Stunden auf einem Molekül speichert. Damit entkoppelt ihr System photochemische Prozesse vom Tag-Nacht-Zyklus - und überwindet somit eine Hürde, die solarbetriebene Photochemie für kontinuierliche industrielle Produktionsprozessen bislang ungeeignet machte.

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. Forscher 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 im „Journal of the American Chemical Society“ 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 Forscher 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.

„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.“

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 Forscher 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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • photochemische Reaktionen

Mehr über IPHT

  • News

    Alzheimer durch einen einfachen Augenscan erkennen?

    Alzheimer an den Augen erkennen, lange bevor die unheilbare Erkrankung ausbricht: Diesem Ziel ist ein europäisches Forschungsteam unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) einen Schritt näher gekommen. Mithilfe eines laserbasierten Verfahrens geling ... mehr

    Synapsen in 3D

    Unser Gehirn besteht aus unzähligen Nervenzellen, die Signale von einer Zelle zur nächsten weiterleiten. Einen Schlüssel, um zu verstehen, wie unser Gedächtnis funktioniert, liefern die Verbindungen zwischen diesen Zellen, die Synapsen. Einem amerikanischen Forscherteam in Zusammenarbeit mi ... mehr

    Kinobilder aus lebenden Zellen

    Um Zellen bei der Arbeit zu beobachten, müssen Forscher ein physikalisches Gesetz aushebeln. Eine der schnellsten Techniken, um die Auflösungsgrenze der klassischen Lichtmikroskopie zu überwinden, ist die hochauflösende strukturierte Beleuchtungsmikroskopie. Sie macht Details sichtbar, die ... mehr

Mehr über Uni Jena

  • News

    Fitness ist auch eine Frage des Timings

    Alles Leben auf der Erde verläuft im 24-Stunden-Takt: Von den kleinsten Bakterien bis zu den Menschen passen sich Organismen an den Wechsel von Tag und Nacht an. Dabei helfen ihnen die Wahrnehmung äußerer Faktoren, wie Licht und Temperatur, und deren Wechsel im Tag-Nacht-Verlauf. Zusätzlich ... mehr

    Wasserstoff katalytisch gewinnen – ohne teure Edelmetalle

    Ein Forschungsteam der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat ein von der Natur inspiriertes molekulares Photosystem entwickelt, das unter Einstrahlung von sichtbarem Licht Wasserstoff erzeugt. Anders als bisherige Systeme dieser Art kommt es ohne Edel- oder Schwermetalle aus. Umweltverträ ... mehr

    Turbo für Materialforschung

    Ein neuer Algorithmus soll dabei helfen, bislang unbekannte Materialverbindungen auszumachen. Entwickelt wurde er von einem Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Universität Lund in Schweden. Die Forschenden konzipierten e ... mehr

  • q&more Artikel

    Effektive Wirkstoff-Navigation bei Sepsis

    Viele Wirkstoffkandidaten gelangen wegen Nebenwirkungen nicht zur klinischen Anwendung. So können z.B. Inhibitoren der Phosphoinositid-3-Kinase-γ, eines Signalproteins, das bei Infektionen eine bedeutende Rolle spielt, wegen Nebenwirkungen auf die Immunantwort nicht verwendet werden. mehr

    Gene auf Zucker

    Der gezielte Transport von DNA und RNA mit Vektoren, meist aus synthetischen Polymeren, in Zellkulturen gehört mittlerweile zum festen Repertoire der biologischen Forschung und Entwicklung, was die Vielzahl an kommerziellen Kits zeigt. Allerdings gestalten sich bisher nicht nur viele Laborv ... mehr

    Sex oder Tod

    Diatomeen sind einzellige Mikroalgen, die aufgrund ihrer filigranen und reich verzierten mineralisierten Zellwand auch als Kieselalgen bezeichnet werden. Trotz ihrer mikroskopisch kleinen Zellen spielen ­diese Algen eine fundamentale ­Rolle für marine Ökosysteme und sind sogar zentrale Akte ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Ulrich S. Schubert

    Ulrich S. Schubert, Jahrgang 1969, ist Lehrstuhlinhaber (W3) für Organische und Makromolekulare Chemie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er studierte Chemie an den Universitäten Frankfurt und Bayreuth und promovierte anschließend an den Universitäten Bayreuth und South Florida, Ta ... mehr

    Prof. Dr. Thomas Heinze

    Thomas Heinze, Jahrgang 1958, studierte Chemie an der FSU Jena, wo er 1985 promovierte und nach dem Postdoc an der Katholischen Universität Leuven (Belgien) 1997 habilitierte. 2001 folgte er dem Ruf auf eine Professur für Makromolekulare Chemie an die Bergische Universität Wuppertal. Seit 2 ... mehr

    Prof. Dr. Dagmar Fischer

    Dagmar Fischer ist approbierte Apothekerin und promovierte 1997 im Fach Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Philipps-Universität Marburg. Nach einem Aufenthalt am Texas Tech University Health Sciences Center, USA, sammelte sie mehrere Jahre Erfahrung als Leiterin der Präklin ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: