Høst mere solenergi med todimensionelle superkrystaller

Når Emiliano Cortés går på jagt efter sollys, bruger han ikke gigantiske spejle eller spredte solfarme. Tværtimod dykker professoren i eksperimentel fysik og energiomsætning ved LMU ned i nanokosmos.

"Hvor de højenergipartikler af sollys, fotonerne, møder atomare strukturer, er der, hvor vores forskning begynder," siger Cortés. "Vi arbejder på materialeløsninger til at opfange og bruge solenergi mere effektivt."

Hans resultater har et stort potentiale, da de muliggør nye solceller og fotokatalysatorer. Industrien har store forhåbninger til sidstnævnte, fordi de kan gøre lysenergi tilgængelig for kemiske reaktioner - uden om behovet for at generere elektricitet. Men der er en stor udfordring ved at bruge sollys, som solceller også skal kæmpe med, ved Cortés:"Sollys ankommer til Jorden 'fortyndet', så energien pr. område er forholdsvis lav." Solpaneler kompenserer for dette ved at dække store områder.

Cortés nærmer sig dog så at sige problemet fra den anden retning. Sammen med sit team på LMU's Nano-Institut udvikler han såkaldte plasmoniske nanostrukturer, der kan bruges til at koncentrere solenergi.

I tidsskriftet Nature Catalysis , Cortés præsenterer sammen med Dr. Matías Herran, nu ved Fritz Haber Institute, Berlin, og samarbejdspartnere fra Free University of Berlin og University of Hamburg en todimensionel superkrystal, der genererer brint fra myresyre ved hjælp af sollys .

"Materialet er faktisk så fremragende, at det har verdensrekorden for at producere brint ved hjælp af sollys," påpeger Cortés. Dette er gode nyheder for produktionen af ​​både fotokatalysatorer og brint som energibærer, da de spiller en vigtig rolle i en vellykket energiomstilling.

Koncentrering af solenergi med miniaturemagneter

Til deres superkrystal bruger Cortés og Herrán to forskellige metaller i nanoskalaformat. "Vi skaber først partikler i området 10-200 nanometer fra et plasmonisk metal - som i vores tilfælde er guld," forklarer Herrán.

"På denne skala opstår et særligt fænomen med plasmoniske metaller, som også omfatter sølv, kobber, aluminium og magnesium:synligt lys interagerer meget stærkt med metallets elektroner, hvilket får dem til at oscillere resonant." Det betyder, at elektronerne bevæger sig kollektivt meget hurtigt fra den ene side af nanopartiklerne til den anden, hvilket skaber en slags minimagnet. Eksperter omtaler dette som et dipolmoment.

"For det indfaldende lys er dette en stærk ændring, så det efterfølgende interagerer meget stærkere med den metalliske nanopartikel," forklarer Cortés. "Analogt kan man tænke på processen som en superlinse, der koncentrerer energien. Vores nanomaterialer gør det, men på molekylær skala." Dette gør det muligt for nanopartiklerne at fange mere sollys og omdanne det til meget højenergielektroner. Disse hjælper til gengæld med at drive kemiske reaktioner.

Nano-hotspots frigiver katalytisk kraft

Men hvordan kan denne energi udnyttes? Til det formål gik LMU-forskerne sammen med forskere ved Universitetet i Hamborg. De arrangerede guldpartikler på en velordnet måde på en overflade efter princippet om selvorganisering. Partiklerne skal være meget tætte, men ikke rørende for at maksimere lys-stof-interaktioner. I samarbejde med et forskerhold fra Freie Universität Berlin, som undersøgte materialets optiske egenskaber, fandt LMU-forskerne ud af, at lysabsorptionen steg mange gange.

"Guld-nanopartikel-arrays fokuserer det indkommende lys ekstremt effektivt, eftergivende, stærkt lokaliserede og stærke elektriske felter, de såkaldte hotspots," siger Herrán. Disse dannes mellem guldpartiklerne, hvilket gav Cortés og Herrán ideen om at placere platinnanopartikler, et klassisk og kraftfuldt katalysatormateriale, lige i mellemrummene.

Dette blev igen gjort af forskerholdet fra Hamborg. "Platin er ikke det foretrukne materiale til fotokatalyse, fordi det absorberer sollys dårligt. Men vi kan tvinge det i hotspots for at forbedre denne ellers dårlige absorption og fremkalde kemiske reaktioner med lysenergien. I vores tilfælde omdanner reaktionen myresyre til brint ," forklarer Herrán. Med en brintproduktionshastighed fra myresyre på 139 millimol i timen og per gram katalysator, har det fotokatalytiske materiale i øjeblikket verdensrekorden for H₂ produktion med sollys.

En impuls til grønnere brintproduktion

I dag fremstilles brint primært af fossile brændstoffer, overvejende fra naturgas. For at skifte til en mere bæredygtig produktion arbejder forskerhold rundt om i verden på teknologier, der bruger alternative råvarer – herunder myresyre, ammoniak og vand. Fokus er også på at udvikle fotokatalytiske reaktorer, der er egnede til produktion i stor skala.

"Smarte materialeløsninger som vores er en vigtig byggesten for teknologiens succes," sagde de to forskere. "Ved at kombinere plasmoniske og katalytiske metaller fremmer vi udviklingen af ​​potente fotokatalysatorer til industrielle anvendelser. Det er en ny måde at bruge sollys på og en, der giver mulighed for andre reaktioner såsom omdannelsen af ​​CO₂ til brugbare stoffer," forklarer Cortés og Herrán. De to forskere har allerede patenteret deres materialeudvikling.

Flere oplysninger: Matias Herran et al., Plasmoniske bimetalliske todimensionelle superkrystaller til H2-generering, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01053-9

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Ludwig Maximilian University of München