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Das Molekül speichert 14 Stunden lang Sonnenenergie

S.Seit vielen Jahren versuchen Wissenschaftler, den Prozess zu emulieren, den Pflanzen während der Photosynthese in großem Maßstab anwenden: die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Inzwischen haben sie beachtliche Erfolge erzielt. Bisherige Systeme sind immer noch nicht effizient genug oder zu teuer, wenn sie beispielsweise den energietragenden Wasserstoff klimaneutral produzieren und dann den verwenden Kohlendioxid Prozess (CO₂) der Atmosphäre zu leichten Kohlenwasserstoffen. Künstliche Photosynthese ist daher für großtechnische Anwendungen noch nicht attraktiv. Ein weiterer Nachteil ist, dass Wasserstoff und andere Chemikalien nur tagsüber bei Sonnenschein photochemisch hergestellt werden können.

Aber das könnte sich möglicherweise bald ändern. Eine deutsch-irische Forschungsgruppe hat jetzt einen molekularen Speicher entwickelt, der tagsüber Sonnenenergie sammelt, mehrere Stunden speichert und bei Bedarf zurückgeben kann. Die Idee ist, dass Sonnenenergie auch nachts zur Erzeugung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen zur Verfügung steht.

Zur Veranschaulichung der lichtgetriebenen Elektronenabsorption eines Kupfer (I) -4H-imidazolat-Komplexes können die an einem halben Tag erhaltenen Ladungsträger jederzeit wieder freigesetzt werden - auch nachts.


Zur Veranschaulichung der lichtgetriebenen Elektronenabsorption eines Kupfer (I) -4H-imidazolat-Komplexes können die an einem halben Tag erhaltenen Ladungsträger jederzeit wieder freigesetzt werden – auch nachts.
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Bild: Martin Schulz


Die Natur hat das Tag-Nacht-Problem bereits gelöst. Sonnenenergie, die tagsüber durch Photosynthese gewonnen und in chemischen Bindungen gespeichert wird, kann auch nachts von Pflanzen genutzt werden. Es gibt bereits Halbleitermaterialien, die als Solarenergiespeicher verwendet werden könnten. Die Speicherzeiten sind jedoch in der Regel zu kurz für Anwendungen. Es wäre ideal, wenn genügend Zeit vorhanden wäre, um die tagsüber absorbierte Sonnenenergie nachts wiederzuverwenden oder dorthin zu transportieren, wo sie benötigt wird.

Eigene Reduzierung von CO₂

Martin Schulz von der Universität Jena und seine Kollegen kamen dieser Vision sehr nahe. Sie haben ein chemisches System entwickelt, das auf einem Kupferkomplex basiert, der Lichtenergie einfängt und diese ohne größere Verluste vierzehn Stunden lang speichern kann. Wie die Forscher im Journal der American Chemical Society berichten, Verwenden Sie für Ihre Experimente zwei organische Substanzen: Die Verbindung Dimethyltoluidin (DMT) erzeugt bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht zwei Protonen und zwei Elektronen. Die beiden Ladungsträger wandern in den photoaktiven Kupferkomplex Cu (I) 4H-Imidazolat, auf dem Ladungsträger verteilt und lange gelagert werden. Der geladene Kupferkomplex könnte dann mehrere Stunden gelagert und als Reduktionsmittel zur Wiederverwendung der Sonnenelektronen verwendet werden.

Wenn der Kupferkomplex mit einem molekularen System in Kontakt gebracht wird, das Elektronen wie Sauerstoff bevorzugt, werden die beiden Elektronen irreversibel übertragen. Ein Sauerstoffmolekül wird zu zwei Ionen mit jeweils doppelter negativer Ladung. (Wenn diese mit vier Protonen reagieren – positiv geladenen Wasserstoffionen – verwandeln sie sich in Wasser.) Der Prozess ist äußerst effizient. „Wir können 90% der Elektronen mit Sauerstoff zurückbringen“, sagt Martin Schulz. Die auf dem Kupferkomplex gespeicherten Elektronen könnten auch für andere Reaktionen verwendet werden, an denen mehrere Elektronen gleichzeitig beteiligt sind. Zum Beispiel für die saubere Reduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid der erste Schritt bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen oder wichtigen Grundchemikalien für Kunststoffe. „Wenn Sie zwei Elektronen gleichzeitig zur Verfügung haben, sind Mehrelektronenprozesse energetischer als wenn Sie nur einzelne Elektronen entwickeln“, sagt Schulz.

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Cynebald Drechslerg

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