Wasserstoff ist ein Eckpfeiler der Energiewende. Um Wasserstoff aus Sonnenenergie zu gewinnen, haben Forscher der LMU neue Hochleistungs-Nanostrukturen entwickelt. Dieses Material stellt einen Weltrekord für die Herstellung von grünem Wasserstoff mithilfe von Solarenergie auf.
Wenn Emiliano Cortés sich auf die Suche nach Sonnenlicht macht, nutzt er keine riesigen Reflektoren oder weitläufige Solarparks. Im Gegenteil: Der LMU-Professor für Experimentalphysik und Energieumwandlung widmet sich der Erforschung des nanoskaligen Universums. „Wo die hochenergetischen Teilchen (Photonen) im Sonnenlicht auf die Atomstruktur treffen, beginnt unsere Forschung“, sagte Cortez. „Wir arbeiten an Materiallösungen, um Sonnenenergie effizienter einzufangen und zu nutzen.“
Seine Erkenntnisse haben großes Potenzial, da sie neue Arten von Solarzellen und Photokatalysatoren ermöglichen könnten. Die Industrie setzt große Hoffnungen in Photokatalysatoren, weil sie Lichtenergie für chemische Reaktionen nutzbar machen können – ohne Strom erzeugen zu müssen. Doch Cortes wusste, dass die Nutzung des Sonnenlichts eine große Herausforderung darstellt, mit der auch Solarzellen zu kämpfen haben: „Sonnenlicht wird ‚verdünnt‘, wenn es die Erde erreicht, sodass die Energie pro Flächeneinheit relativ gering ist.“ Sonnenkollektoren gleichen dies aus, indem sie eine große Fläche abdecken.
Allerdings geht Cortés das Problem wohl aus einer anderen Richtung an: Gemeinsam mit seinem Team am Nano-Institut der Bayerischen Staatsuniversität, gefördert unter anderem durch den Exzellenzcluster „Elektronische Wandlung, Solar Technologies go Hybrid“ (eine Initiative des Ministeriums für Wissenschaft und Kunst der Bayerischen Staatsregierung) und den Europäischen Forschungsrat, entwickelt er sogenannte plasmonische Nanostrukturen, mit denen sich Sonnenenergie konzentrieren lässt.
Kürzlich veröffentlichte Cortes zusammen mit Dr. Matthias Herland vom Fritz-Haber-Institut in Berlin und Partnern an der Freien Universität Berlin und der Universität Hamburg einen Artikel in der Zeitschrift Nature Catalysis, in dem er einen zweidimensionalen Superkristall beschreibt, der mit Hilfe von Sonnenlicht Wasserstoff aus Ameisensäure erzeugen kann.
„Tatsächlich ist dieses Material so gut, dass es den Weltrekord für die Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenlicht hält“, bemerkte Cortes. „Das sind gute Nachrichten sowohl für die Produktion von Photokatalysatoren als auch für Wasserstoff als Energieträger, denn sie spielen eine wichtige Rolle für eine erfolgreiche Energiewende.“
Für ihre Superkristalle nutzten Cortés und Herrán zwei verschiedene nanoskalige Metalle, erklärt Herrán: „Wir haben zunächst 10–200 Nanometer große Partikel aus einem plasmonischen Metall hergestellt – in unserem Fall Gold. In dieser Größenordnung erleben protische Metalle (auch Silber, Kupfer, Aluminium und Magnesium) ein besonderes Phänomen: Sichtbares Licht wechselwirkt sehr stark mit den Elektronen des Metalls, wodurch diese in Resonanz geraten.“
Das bedeutet, dass sich die Elektronen gemeinsam schnell von einer Seite des Nanopartikels zur anderen bewegen und so eine Art winzigen Magneten bilden. Experten nennen dies das Dipolmoment. „Dabei handelt es sich um eine starke Veränderung des einfallenden Lichts, sodass es dann stärker mit den Metallnanopartikeln interagiert“, erklärte Cortes. „Ähnlich können wir uns diesen Prozess als eine Superlinse vorstellen, die Energie konzentriert. Unsere Nanomaterialien tun dies auf molekularer Ebene. Dadurch können die Nanopartikel mehr Sonnenlicht einfangen und es in hochenergetische Elektronen umwandeln. Diese Elektronen helfen wiederum dabei, chemische Reaktionen voranzutreiben.“
Doch wie lässt sich diese Energie nutzen? Dazu arbeiteten LMU-Wissenschaftler mit Forschern der Universität Hamburg zusammen. Sie ordneten die Goldpartikel nach dem Prinzip der Selbstorganisation geordnet auf der Oberfläche an. Um die Licht-Materie-Wechselwirkung zu maximieren, müssen sich die Teilchen nahe beieinander befinden, dürfen sich aber nicht berühren.
Forscher der TU Berlin untersuchten in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Freien Universität Berlin die optischen Eigenschaften dieses Materials und stellten fest, dass die Lichtabsorption um ein Vielfaches zunahm. Anordnungen von Goldnanopartikeln bündeln einfallendes Licht äußerst effizient und erzeugen stark lokalisierte starke elektrische Felder, sogenannte Hot Spots.
Diese Hot Spots bildeten sich zwischen Goldpartikeln, was Cortes und Elam auf die Idee brachte, Platin-Nanopartikel, ein klassisches leistungsstarkes Katalysatormaterial, in die Lücken zwischen den Hot Spots zu platzieren. Das Hamburger Forscherteam hat es erneut geschafft.
„Platin ist nicht das Material der Wahl für die Photokatalyse, da es Sonnenlicht sehr schlecht absorbiert. Wir können jedoch Platin an heißen Stellen zwingen, um diese ansonsten schlechte Absorption zu verstärken und Lichtenergie zu nutzen, um eine chemische Reaktion zu fördern. In unserem Fall wandelt die Reaktion Ameisensäure in Wasserstoffgas um“, erklärt Herrán.
Dieses photokatalytische Material erzeugt pro Stunde und Gramm Katalysator 139 Millimol Wasserstoff aus Ameisensäure und hält derzeit den Weltrekord für die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht.
Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen, vor allem Erdgas, hergestellt. Um zu nachhaltigeren Produktionsmethoden überzugehen, untersuchen Forschungsteams auf der ganzen Welt Technologien, die alternative Rohstoffe wie Ameisensäure, Ammoniak und Wasser verwenden. Zu den Forschungsschwerpunkten gehört auch die Entwicklung großserientauglicher photokatalytischer Reaktoren. „Intelligente Materiallösungen wie unsere sind ein wichtiger Grundstein für den technologischen Erfolg“, erwähnen die beiden Forscher. „Durch die Kombination plasmonischer und katalytischer Metalle treiben wir die Entwicklung leistungsstarker Photokatalysatoren für industrielle Anwendungen voran. Dies ist eine neue Möglichkeit, Sonnenlicht zu nutzen, und bietet das Potenzial für andere Reaktionen wie die Umwandlung von Kohlendioxid in nutzbare Substanzen.“
Die beiden Forscher haben ihre Materialentwicklung zum Patent angemeldet.
Zusammengestellt von /ScitechDaily