Eine Gruppe von Wissenschaftlern hat ein System entwickelt, das in der Lage ist, Sonnenenergie in flüssiger Form zu erfassen, zu speichern und freizusetzen, unter Verwendung von zugänglichen und kommerziell erhältlichen Materialien.
Die im Fluid gefangene Energie kann später als Wasserstoff freigesetzt werden, ohne dass externe Elektrizität benötigt wird. Der in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlichte Fund stellt einen entscheidenden Schritt zur Umwandlung von Sonnenenergie in eine tragbare und anpassungsfähige Ressource dar.
Wie das System funktioniert
Der Prozess gliedert sich in drei Phasen: Erfassung, Speicherung und Freisetzung. Dazu wird graphitisches Kohlenstoffnitrid verwendet, ein gelbes Pulver, das als Photokatalysator wirkt, und Ammoniummetatungstat, eine Verbindung aus Wolfram und Sauerstoff, die Elektronen speichert, als wäre es eine kleine wiederaufladbare Batterie.
Beide Materialien werden in Wasser mit einem kleinen Anteil Methanol gemischt, das eine wesentliche Rolle spielt: Es absorbiert die positiven Ladungen, die durch die Wechselwirkung des Lichts mit dem Kohlenstoffnitrid entstehen, verhindert, dass sich die Elektronen zu schnell rekombinieren, und ermöglicht ihre Konservierung.
Bei der Belichtung des Kohlenstoffnitrids mit blauem Licht entstehen Elektron-Loch-Paare. Die Elektronen wandern zu den Wolframclustern des Metatungstats, wo sie gespeichert werden. Dieses Phänomen zeigt sich in der Farbänderung der Flüssigkeit: von blassgelb zu intensiv blau, ein Zeichen dafür, dass die Wolframatome von einem Ladungszustand +6 zu +5 reduziert werden.
Wasserstoffproduktion im Dunkeln
Um die in Form von Wasserstoff gespeicherte Energie freizusetzen, fügen die Forscher der Lösung in Abwesenheit von Licht einen Katalysator aus Platin auf Kohlenstoff hinzu. Das Platin fungiert als Reaktionsstelle, an der die gespeicherten Elektronen mit Protonen aus dem Wasser zu gasförmigem Wasserstoff kombiniert werden. Auf diese Weise können die Solarerfassung, Speicherung und Wasserstoffproduktion zu unterschiedlichen Zeiten ohne kontinuierliche Verbindung durchgeführt werden.
In Labortests erzeugte das System nach einer Stunde Lichtbelastung 13,5 Mikromol Wasserstoff im Dunkeln. Die maximale Rate erreichte 3.220 Mikromol pro Gramm und Stunde, ein Rekord für ein nicht beleuchtetes photokatalytisches System. Auch unter realem Sonnenlicht wurden erfolgreiche Ergebnisse erzielt, mit einer Rate von 954 Mikromol pro Gramm und Stunde ohne Rückgriff auf externe Elektrizität.
Bestätigung des Mechanismus
Fortgeschrittene Studien bestätigten den Prozess: Lumineszenztests zeigten, dass die Elektronen dank der Speicherung verbleiben; die Spektroskopie zeigte die Reduktion der Wolframatome; und magnetische Messungen erfassten diese Zustände nur nach der Belichtung.
Die Autoren fassten zusammen: „Dieses System zeigt eine bemerkenswerte Effizienz bei der Speicherung von Sonnenenergie als Elektronen“.
Potenzial und Herausforderungen
Die Technologie eröffnet die Möglichkeit, in sonnenreichen Regionen erfasste Sonnenenergie in Gebiete mit geringerer Strahlung zu transportieren, in flüssiger Form und ohne Kabel, Batterien oder spezialisierte Wasserstofftanks. Wenn es gelingt, dass die gespeicherten Elektronen über Wochen und nicht nur Stunden stabil bleiben, könnte Sonnenenergie international verteilt und bei Bedarf in Kraftstoff umgewandelt werden.
Es bestehen jedoch weiterhin wichtige Herausforderungen: Das System ist auf Methanol als wesentlichen Bestandteil angewiesen und seine Funktionsweise wurde noch nicht über längere Zeiträume außerhalb des Labors getestet.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in eine wirklich tragbare und zugängliche Ressource rückt immer näher. Dieser Fortschritt zeigt, dass es möglich ist, Sonnenenergie in flüssiger Form zu speichern und als Wasserstoff ohne externe Elektrizität freizusetzen, und bringt die Wissenschaft einen Schritt näher an reale Anwendungen, die die globale Energiewende revolutionieren könnten.
