Solarer Weltrekordler Superkristalle sammeln mehr Sonnenenergie für Wasserstoffgewinnung

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Um ihn mithilfe von Solarenergie zu gewinnen, haben LMU-Forscher aus München neue Hochleistungs-Nanostrukturen entwickelt. Sie hielten einen Weltrekord bezüglich solarer Wasserstoffproduktion.

Wenn der Forscher Emiliano Cortés auf die Jagd nach Sonnenlicht geht, nutzt er keine gigantischen Spiegel oder Solarparks. Ganz im Gegenteil! Denn Der Professor für Experimentalphysik und Energiekonversion an der LMU München taucht dabei in den Nanokosmos ab. „Dort wo die energiereichen Teilchen des Sonnenlichts auf atomare Strukturen treffen, beginnt unsere Forschung“, erklärt Cortés. Er und sein Team arbeiten nämlich an Materialsystemen, um Solarenergie effizienter zu nutzen. Seine Erkenntnisse hätten großes Potenzial für neuartige Solarzellen und Photokatalysatoren. Doch es gibt eine Herausforderung, wie der Wissenschaftler anmerken muss, denn das Sonnenlicht kommt auf der Erde sozusagen „verdünnt“ an. Das heißt, die Energie pro bestrahlter Fläche ist vergleichsweise gering.

Plasmonische Nanostrukturen verdichten Sonnenlicht

Solaranlagen kompensieren das einfach über große Flächen. Cortés nähert sich aber von der anderen Richtung. Denn mit seinem Team am Nano-Institut der LMU, das vom Exzellenzcluster E-conversion, 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, die die Sonnenenergie konzentrieren können. In einer Publikation im Fachmagazin Nature Catalysis präsentiert Cortés gemeinsam mit Dr. Matías Herrán und Kooperationspartnern der Freien Universität Berlin und der Universität Hamburg dazu bereits einen zweidimensionalen Superkristall, der aus Ameisensäure mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt. Das Material arbeite so herausragend, dass es den Weltrekord halte, was die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht anbelangt.

Gold und Platin entfesseln solare Katalysekräfte

Für ihren Superkristall nutzen Cortés und Herran zwei Metalle im Nanoformat. Sie stellen dabei zunächst aus Gold, einem plasmonischen Metall, Partikel von 10 bis 200 Nanometern her. Denn in dieser Größenordnung wechselwirkt das sichtbare Licht sehr stark mit den Goldelektronen und veranlasst diese zu einer resonanten Schwingung (deswegen plasmonisch). Dadurch fangen die Nanopartikel mehr Sonnenlicht ein und wandeln es in sehr energiereiche Elektronen um. „Es entstehen starke lokale elektrische Felder, die Hotspots“, führt Herrán weiter aus. Diese bilden sich zwischen den Goldpartikeln aus. Das brachte Cortés und Herran auf die Idee, Nanopartikel aus Platin in die Zwischenräume zu platzieren. „In den Hotspots bringen wir das Ganze dazu, Ameisensäure zu Wasserstoff umzusetzen“, merkt Herrán an. Die Wasserstoff-Produktionsrate – ausgehend von Ameisensäure – von 139 Millimol pro Stunde und pro Gramm Katalysator macht das photokatalytische Material derzeit den Weltrekordhalter bei der solaren Wasserstoffgewinnung. Durch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen die Münchener Forscher die Entwicklung potenter Photokatalysatoren für die Industrie voran, die zum Beispiel die Umwandlung von CO₂ in nutzbare Substanzen erlauben. Das Ganze sei auch bereits patentiert.

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