Das Forschungsteam der Northwestern University hat kürzlich ein neues Energiespeichermaterial demonstriert, das sich völlig von herkömmlichen Batterien unterscheidet: Es liegt in Form einer gelben Flüssigkeit vor. Nachdem es unter der Einwirkung von sichtbarem Licht, elektrischem Strom, chemischen Brennstoffen oder Röntgenstrahlen „aufgeladen“ wurde, baut es sich spontan zusammen und verwandelt sich in ein schwarzes, leitfähiges Hydrogel. Es kann in Abwesenheit von Sauerstoff mehrere Monate lang Elektronen speichern und diese Elektronen bei Bedarf an Sauerstoff abgeben, um Oxidationskraft für nachfolgende chemische Reaktionen bereitzustellen.
Die in der Fachzeitschrift Chem veröffentlichten Forschungsergebnisse werden vom Team als „von Zellen inspiriertes“ chemisches System beschrieben, das in der Lage ist, Energiegewinnung, Energiespeicherung, Strukturumbau und katalytische Funktionen auf einer einzigen weichen Materialplattform zu integrieren. Anders als beim herkömmlichen Konzept von Lithium-Ionen-Batterien, die zur Stromversorgung von Mobiltelefonen und anderen Geräten verwendet werden, handelt es sich bei diesem Material nicht um eine elektrochemische Batterie, die einen stabilen Strom abgibt, sondern eher um ein Lagerhaus für weiche Materie, das wiederholt chemische Redoxenergie „füllen“ und „freigeben“ kann.
Im ungeladenen Zustand ist das Material eine gelbe Flüssigkeit, die aus kleinen kugelförmigen Molekülaggregaten besteht; Wenn es Energiequellen wie sichtbarem Licht, elektrischem Strom, chemischen Brennstoffen oder Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, nehmen die Moleküle Elektronen auf und ändern ihre elektronische Struktur, wodurch die Stapelung und Kombination von Molekülen durch π-π-Wechselwirkungen und die Bildung freier radikalischer „Pimere“ ausgelöst wird. Schließlich reorganisieren sie sich in langkettige supramolekulare Polymerfasern, wodurch die ursprünglich lose Flüssigkeit in ein schwarzes, leitfähiges Hydrogel rekonstruiert werden kann. Dabei ist der „Ladezustand“ selbst ein „Montagezustand“. Die Moleküle speichern Ladung nicht passiv wie Ionen in herkömmlichen Batterieelektroden, sondern ordnen sich um zusätzliche Elektronen herum neu an, um eine neue weiche Struktur aufzubauen, wodurch diese gespeicherten Elektronen physikalisch stabilisiert werden.
In einer sauerstofffreien Umgebung kann dieses schwarze Gel Elektronen für lange Zeit einschließen. Das Team behauptet, dass es den Energiespeicherzustand mehrere Monate lang ohne Sauerstoff aufrechterhalten kann. Wenn Energie freigesetzt werden muss, wird Sauerstoff zugeführt. Sauerstoffmoleküle nehmen im Gel gespeicherte Elektronen auf, um hochreaktive sauerstoffhaltige Spezies zu erzeugen. Diese reaktiven Sauerstoffspezies können organische Substrate oxidieren und eine Reihe von Redoxreaktionen fördern. Mit anderen Worten: Das Material erzeugt chemische Redoxarbeit anstelle von elektrischem Strom. Es speichert chemische Energie, die in Form zusätzlicher Elektronen im Gel vorhanden ist. Sobald es der Luft ausgesetzt wird, verbraucht Sauerstoff diese Elektronen und veranlasst das Material, allmählich in seinen ursprünglichen gelben flüssigen Zustand zurückzukehren.
Das Forschungsteam betrachtet dieses System als Modell der „dunklen Photokatalyse“: Bei der traditionellen Photokatalyse muss beim Ablauf der Reaktion ständig Licht beteiligt sein; Bei dieser Arbeit kann das Material vorab durch Lichtenergie oder andere Energie „vorgeladen“ werden und dann Elektronen für längere Zeit in einer dunklen Umgebung speichern. Bei Bedarf in der Zukunft können diese gespeicherten Elektronen verwendet werden, um chemische Reaktionen durch Oxidation voranzutreiben. Dies bedeutet, dass erwartet wird, dass bestimmte lichtgetriebene katalytische Prozesse auch in Zukunft ohne Licht weiterlaufen, was neue zeitliche und räumliche Flexibilität für Umweltsanierung, Schadstoffabbau, Oberflächensterilisation und eine Reihe photokatalytischer Chemie bietet.
Das Team der Northwestern University betonte, dass dies das erste Beispiel eines Materials ist, das Energie durch „Selbstrekonfiguration“ speichert: Die Erfassung, Speicherung und Freisetzung von Energie beruht nicht mehr auf technischen Geräten mit fester Struktur (wie Elektroden in Batterien oder Halbleitern in Solarzellen), sondern wird einer weichen Materieplattform übertragen, die ihre eigene Struktur während des Lade- und Entladevorgangs dynamisch ändern kann. Nach Abschluss der Oxidationsreaktion verbraucht Sauerstoff weiterhin Elektronen im Gel und verwandelt es allmählich wieder in eine gelbe Flüssigkeit. Dieser „Reset“-Prozess ermöglicht auch das Wiederaufladen des Systems und bietet die Möglichkeit des Recyclings.
Derzeit befindet sich die Forschung noch im Konzept- und Laborstadium. Der Artikel wurde in der Fachzeitschrift „Chem“ veröffentlicht. In der offiziellen Pressemitteilung der Northwestern University wird es als eine Art zelleninspiriertes Material positioniert, das „Energie einfängt und bei Bedarf freigibt“ und neue Designideen für zukünftige Forschungen in den Bereichen langlebige Energiespeicherung, programmierbare Katalyse und Umweltanwendungen liefert.