Forschung: Nano-Kristall produziert solaren Wasserstoff

An der Ludwig-Maximilians-Universität München haben Forschende ein Nano-Kristall entwickelt, in dem Sonnenlicht direkt Wasserstoff erzeugen kann. Wie die LMU mitteilte, ist dafür der Professor für Experimentalphysik und Energiekonversion an der LMU, Emiliano Cortés, verantwortlich. „Wo die energiereichen Teilchen des Sonnenlichts auf atomare Strukturen treffen, beginnt unsere Forschung“, sagt er. „Wir arbeiten an Materiallösungen, um Solarenergie effizienter zu nutzen.“ Seine Erkenntnisse haben Potenzial für neuartige Solarzellen und Photokatalysatoren. Doch es gebe eine Herausforderung, so Cortés: „Das Sonnenlicht kommt auf der Erde ‚verdünnt‘ an, also die Energie pro Fläche ist vergleichsweise gering.“

Solaranlagen kompensieren das über große Flächen. Cortés nähert sich dagegen von der anderen Richtung. Mit seinem Team am Nano-Institut der LMU entwickelt er 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 einen zweidimensionalen Superkristall, der aus Ameisensäure mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt. „Das Material ist so herausragend, dass es den Weltrekord hält, was die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht anbelangt“, sagt Cortés. Das Institut erhält ferner eine Förderung vom Exzellenzcluster e-conversion, Solar Technologies go Hybrid und dem European Research Council.

Gold und Platin im Einsatz

Für ihren Superkristall nutzen Cortés und Herran zwei Metalle im Nanoformat. „Wir stellen zunächst aus Gold, einem plasmonischen Metall, Partikel von 10-200 Nanometern her“, erklärt Herrán. „In dieser Größenordnung wechselwirkt das sichtbare Licht sehr stark mit den Goldelektronen und veranlasst diese zu einer resonanten Schwingung.“ Dadurch fangen die Nanopartikel mehr Sonnenlicht ein und wandeln es in sehr energiereiche Elektronen um. „Es entstehen starke lokale elektrische Felder, die Hotspots“, sagt Herrán. 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 es dazu, Ameisensäure zu Wasserstoff umzusetzen“, erklärt Herrán.

Mit einer Wasserstoffproduktionsrate – ausgehend von Ameisensäure – von 139 Millimol pro Stunde und pro Gramm Katalysator halte 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. „Durch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen wir die Entwicklung potenter Photokatalysatoren für die Industrie voran, zum Beispiel die Umwandlung von CO2 in nutzbare Substanzen“, erklären Cortés und Herrán, die ihre Materialentwicklung bereits patentiert haben. Sie unterhalten außerdem dazu das Unternehmen NanoEnergy.

Quelle: LMU | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH