Mit Superkristallen mehr Sonnenenergie ernten

Impulse für eine grünere Wasserstoffproduktion

04.12.2023

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Ein Baustein für die Energiewende ist Wasserstoff. Um ihn mithilfe von Solarenergie zu gewinnen, haben LMU-Forscher neue Hochleistungs-Nanostrukturen entwickelt. Das Material hält einen Weltrekord bezüglich grüner Wasserstoff-Produktion mit Sonnenlicht.

Wenn Emiliano Cortés auf die Jagd nach Sonnenlicht geht, nutzt er keine gigantischen Spiegel oder weitläufige Solarparks. Ganz im Gegenteil: Der Professor für Experimentalphysik und Energiekonversion an der LMU taucht in den Nanokosmos ab. „Wo die energiereichen Teilchen des Sonnenlichts, die Photonen, auf atomare Strukturen treffen, beginnt unsere Forschung“, sagt Cortés. „Wir arbeiten an Materiallösungen, mit denen sich Solarenergie effizienter einfangen und nutzen lässt.“ Seine Erkenntnisse haben großes Potenzial: Neuartige Solarzellen und Photokatalysatoren werden damit möglich. In letztere setzt auch die Industrie große Hoffnungen, denn sie können Lichtenergie – ohne Umwege über die Stromerzeugung – für chemische Reaktionen zugänglich machen. Doch es gibt eine große Herausforderung, die die Nutzung von Sonnenlicht mit sich bringt und mit denen auch Solarzellen zu kämpfen haben, weiß Cortés: „Das Sonnenlicht kommt auf der Erde ‚verdünnt‘ an, also die Energie pro Fläche ist vergleichsweise gering.“ Solaranlagen kompensieren das, indem sie sich über große Flächen erstrecken.

Cortés nähert sich diesem Problem sozusagen von der anderen Richtung: Mit seinem Team am Nano-Institut der LMU, das unter anderem vom Exzellenzcluster e-conversion, von Solar Technologies go Hybrid (eine Initiative des Bayerischen Staatsministeriums für Wissenschaft und Kunst) und dem European Research Council gefördert wird, entwickelt er sogenannte plasmonische Nanostrukturen, mit deren Hilfe sich die Sonnenenergie konzentrieren lässt. In einer aktuellen Publikation im Fachmagazin Nature Catalysis präsentiert Cortés gemeinsam mit Dr. Matías Herrán, mittlerweile am Fritz-Haber-Institut in Berlin, und Kooperationspartnern der Freien Universität Berlin und der Universität Hamburg einen zweidimensionalen Superkristall, der aus Ameisensäure mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt. „Das Material ist sogar so herausragend, dass es den Weltrekord hält, was die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht anbelangt“, betont Cortés. Sowohl für die Herstellung von Photokatalysatoren als auch Wasserstoff als Energieträger ist das eine gute Nachricht, denn sie spielen eine wichtige Rolle für eine erfolgreiche Energiewende.

Mit Mini-Magneten die Sonnenenergie bündeln

Für ihren Superkristall nutzen Cortés und Herran zwei verschiedene Metalle im Nanoformat. „Wir stellen zunächst aus einem plasmonischen Metall – in unserem Fall ist das Gold –Partikel im Bereich von 10-200 Nanometern her“, erklärt Herrán. „In dieser Größenordnung kommt es bei plasmonischen Metallen, zu denen auch Silber, Kupfer, Aluminium und Magnesium zählen, zu einem besonderen Phänomen: Das sichtbare Licht wechselwirkt sehr stark mit den Elektronen des Metalls und veranlassen diese zu einer resonanten Schwingung.“ Das bedeutet: Die Elektronen bewegen sich im Kollektiv sehr schnell von einer zur anderen Seite im Nanopartikel. Dadurch entsteht eine Art Mini-Magnet. Experten sprechen von einem Dipolmoment. „Für das einfallende Licht ist das eine starke Veränderung, sodass es in der Folge viel stärker mit dem metallischen Nanopartikel interagiert“, erklärt Cortés. „Analog kann man sich diesen Prozess wie eine Art Superlinse vorstellen, die die Energie konzentriert. Unsere Nanomaterialien tun das, allerdings auf molekularer Ebene.“ Dadurch fangen die Nanopartikel mehr Sonnenlicht ein und wandeln es in sehr energiereiche Elektronen um. Diese sind wiederum hilfreich, um chemische Reaktionen voranzutreiben.

Nano-Hotspots entfesseln Katalysekraft

Doch wie lässt sich diese Energie nutzen? Um das herauszufinden, kooperierten LMU-Wissenschaftler mit einer Forschungsgruppe der Universität Hamburg. Diese arrangierten die Goldteilchen nach dem Prinzip der Selbstorganisation geordnet auf einer Oberfläche. Um eine maximale Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu erreichen, müssen die Goldpartikel nah beieinander sein, dürfen sich aber nicht berühren. In Zusammenarbeit mit einem Forschungsteam der Freien Universität Berlin, das die optischen Eigenschaften des Materials untersuchte, stellten die LMU-Forscher fest: Die Lichtabsorption erhöht sich um ein Vielfaches. „Die Gold-Nanopartikel-Anordnung bündelt das einfallende Licht äußerst effizient und erzeugt starke lokale elektrische Felder, die sogenannten Hotspots“, sagt Herrán. Diese bilden sich zwischen den Goldpartikeln aus. Das brachte Cortés und Herran auf die Idee, Nanopartikel aus Platin, einem klassischen und leistungsfähigen Katalysatormaterial, genau in die Zwischenräume zu platzieren. Diesen Part übernahm wieder das Forscherteam aus Hamburg. „Platin ist zwar nicht das Material der Wahl für die Photokatalyse, weil es das Sonnenlicht schlecht absorbiert. In den Hotspots jedoch können wir es dazu zwingen, die ansonsten schlechte Absorption zu verstärken und chemische Reaktionen mit Lichtenergie anzutreiben. In unserem Fall ist das die Umsetzung von Ameisensäure zu Wasserstoff“, erklärt Herrán. Mit einer Wasserstoffproduktionsrate – ausgehend von Ameisensäure – von 139 Millimol pro Stunde und pro Gramm Katalysator hält das photokatalytische Material derzeit den Weltrekord in Sachen H₂-Produktion mit Sonnenlicht.

Impulse für eine grünere Wasserstoffproduktion

Heutzutage wird Wasserstoff in erster Linie aus fossilen Rohstoffen, allen voran Erdgas, hergestellt. Um auf eine nachhaltigere Produktion umzustellen, arbeiten Forscherteams weltweit an Technologien, die alternative Ausgangssubstanzen nutzen – dazu zählen neben Ameisensäure auch Ammoniak oder Wasser. Im Fokus steht zudem die Entwicklung photokatalytischer Reaktoren, die sich für eine großtechnische Produktion eignen. „Clevere Materiallösungen wie unsere sind ein wichtiger Baustein für den Erfolg der Technologie“, sagen die beiden Forscher. „Durch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen wir die Entwicklung potenter Photokatalysatoren für die Industrie voran. Es ist ein neuer Weg, um Sonnenlicht zu nutzen, und ein Weg, der Potenzial für weitere Reaktionen bietet wie zum Beispiel die Umwandlung von CO₂ in nutzbare Substanzen“, erklären Cortés und Herrán, die ihre Materialentwicklung bereits patentiert haben.

Originalveröffentlichung

Matias Herran, Sabrina Juergensen, Moritz Kessens, Dominik Hoeing, Andrea Köppen, Ana Sousa-Castillo, Wolfgang J. Parak, Holger Lange, Stephanie Reich, Florian Schulz, Emiliano Cortés; "Plasmonic bimetallic two-dimensional supercrystals for H2 generation"; Nature Catalysis, 2023-11-30

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