Wissenschaftler hoffen, dass in Form von Brennstoff gespeicherte Sonnenenergie in Zukunft fossile Brennstoffe teilweise ersetzen könnte. Forscher der Universität Lund in Schweden haben möglicherweise ein seit langem bestehendes Problem gelöst, das die Entwicklung nachhaltiger Solar-Brennstoffe behindert hat. Wenn Sonnenenergie mithilfe von Systemen auf Eisenbasis effizienter genutzt werden kann, könnte dies den Weg für kostengünstigere Solar-Brennstoffe ebnen.
„Wir können nun bisher verborgene Mechanismen erkennen, die es eisenbasierten Molekülen ermöglichen würden, Ladungen effizienter an Akzeptormoleküle zu übertragen. Dies könnte eines der größten Hindernisse für die Herstellung von Solarkraftstoffen unter Verwendung gängiger Metalle effektiv beseitigen“, sagt Petter Persson, Chemieforscher an der schwedischen Universität Lund. Akzeptormoleküle (oder Elektronenakzeptoren) sind Moleküle, die Elektronen aufnehmen können — also als Elektronenempfänger in chemischen oder physikalischen Prozessen wirken.
Derzeit wird intensiv nach neuen Wegen zur Herstellung umweltfreundlicher Kraftstoffe gesucht. Diese könnten dazu beitragen, die derzeit weltweit dominierenden fossilen Brennstoffe schrittweise abzuschaffen. Eine vielversprechende Strategie ist die Entwicklung von Katalysatoren, die Sonnenenergie zur Herstellung von Brennstoffen wie grünem Wasserstoff nutzen.
In den vergangenen Jahren wurden in diesem Bereich bedeutende Fortschritte erzielt, darunter die Entwicklung solarbetriebener Katalysatoren auf der Basis von Eisen und anderen gängigen Elementen. Trotz dieser Erfolge hat sich die Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoff in den eisenbasierten Systemen als zu ineffizient erwiesen.
Um solare Kraftstoffe wie grünen Wasserstoff herzustellen, müssen die lichtabsorbierenden Moleküle elektrische Ladung an ein Akzeptormolekül übertragen. Wenn die Übertragung nicht gut funktioniert, geht ein Großteil der Energie verloren, bevor sie im solaren Kraftstoff gespeichert werden kann. Obwohl Eisen kostengünstig und umweltfreundlich ist, hat dieses Problem es schwierig gemacht, eisenbasierte Systeme so effizient wie teurere Systeme auf Basis von Seltenerdmetallen arbeiten zu lassen.
Mithilfe fortschrittlicher Berechnungen konnten die Forscher nun den Prozess auf molekularer Ebene analysieren. Die Studie zeigt, dass ein Großteil der Energie verloren geht, weil die Akzeptormoleküle oft an den Katalysatoren haften bleiben, bevor die Ladung übertragen werden kann. Die Forscher entdeckten jedoch unerwartete Mechanismen, durch die Akzeptormoleküle die Hilfe benachbarter Moleküle in Anspruch nehmen können, um die Ladungsübertragung abzuschließen. Dies kann Energieverluste erheblich reduzieren und die Effizienz von Solarenergiesystemen auf Eisenbasis steigern.
„Es war überraschend, dass die Umgebung eine so entscheidende Rolle spielt. Unsere Simulationen zeigen mehrere unerwartete Wege, wie die Wechselwirkung mit benachbarten Molekülen die Bildung energiereicher Produkte erleichtern kann“, sagt Petter Persson.
Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer rentablen Solarenergieproduktion mit gängigen Metallen. Die Studie zeigt, wie der entscheidende erste Schritt der Ladungstrennung optimiert werden kann, aber es sind weitere Schritte notwendig, bevor der Prozess zu fertigen Solarenergieträgern führen kann.
„Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Sonnenenergie mit Hilfe gängiger Metalle wie Eisen effizienter umgewandelt werden kann. Langfristig kann dies zur Entwicklung kostengünstigerer und nachhaltigerer Solar-Kraftstoffe beitragen – ein wichtiger Teil des Puzzles in der globalen Energiewende“, schließt Petter Persson.