Dafür braucht man neben dem neu entwickelten Molekül einen anderen Stoff, der bei Lichteinfall Elektronen abgibt. Besonders ist das neue Molekül, weil es diese Elektronen aufnimmt und festhält – und so Energie aus Licht speichern kann. Um später die Wasserstoffproduktion zu starten, muss man H+-Ionen dazugeben, also die positiv geladenen Kerne des Wasserstoffatoms. Das ist zum Beispiel mit Hilfe einer Säure möglich. Die Wasserstoffionen reagieren mit den gespeicherten Elektronen zu Wasserstoff.

Weitere Optimierung für Energie aus Licht

Allerdings haben die Förderinnen noch einiges an Optimierungsarbeit zu leisten. Zum Beispiel ist der Wirkungsgrad bisher noch sehr gering. „Wir haben gezeigt, dass es geht“, betont sagt Prof. Sven Rau vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Ulm. „Nun können wir – und alle anderen Wissenschaftler – die Effizienz steigern.“ Und es gibt noch weitere Aufgaben.  „Zudem reagiert ein Teil der beladenen Moleküle vorzeitig – nach einem bisher völlig unbekannten Mechanismus“, so Rau. „Bei den ersten Versuchen ging so innerhalb von 150 Minuten schon ein Sechstel der gespeicherten Elektronen verloren.“ Rau hält aber eine Speicherung über Tage oder Wochen für möglich, „grundsätzlich auch länger.“

Auf der To-Do-Liste stehen außerdem die Suche nach einem geeigneten Reaktordesign sowie nach nachhaltigen und kostengünstigen Reagenzien. Als „Elektronenspender“ käme zum Beispiel statt der jetzt verwendet organischen Stickstoffverbindung ein Alkohol in Frage oder in weiter Zukunft sogar Wasser. Das könnte auch gleich die H+-Ionen für die Wasserstoffproduktion liefern, sodass keine Säure mehr nötig wäre.  

Kovalente Photosensibilisator-Polyoxometalat-Dyade

Bei dem in Ulm entwickelten Molekül handelt es sich um eine „kovalente Photosensibilisator-Polyoxometalat-Dyade“. Dyade bedeutet dabei, dass die Verbindung zwei Funktionen erfüllt: Ein Teil des Moleküls ist für die Übertragung von Elektronen zuständig, ein anderer speichert die Energie. Die genaue Bezeichnung des Moleküls kommt in der Veröffentlichung nicht vor. „Der Name wäre etwa vier Zeilen lang“, sagt Rau.

Die Substanz ist bei Umgebungsbedingungen flüssig, was die Lagerung vereinfacht. Speichert man den Stoff bei Dunkelheit und unter Luftabschluss, halten die Moleküle die Elektronen fest. 

Potenzial für künftigen neuen Energiespeicher

Die Reaktion des zentralen Moleküls ist reversibel. Das heißt, es kann immer wieder mit Elektronen be- und entladen werden. Das Forschungsteam um Prof. Rau hat damit als erstes gezeigt, wie man Wasserstoff nicht nur mit Hilfe von Licht erzeugen, sondern diese Reaktion auch noch zeitlich so steuern kann, dass sie als Energiespeicher nutzbar ist. 

Auch wenn die Zwischenspeicherung der Energie beim in Ulm entwickelten Molekül bislang einzigartig ist, so gibt es weitere Forscher:innen, die nach einem photoelektrischen Verfahren zur Wasserstofferzeugung suchen. Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht arbeitet zum Beispiel an einem künstlichen Blatt (Link zu Olivers Artikel). Allen Verfahren ist aber gemeinsam, dass sie sich noch im Laborstadium befinden. 

7.3.2022 | Autorin: Eva Augsten
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