Mit Superkristallen mehr Sonnenenergie ernten
Weltrekord bezüglich der Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht: Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben neue Hochleistungs-Nanostrukturen entwickelt, um sehr effizient Wasserstoff (H2) mithilfe von Solarenergie zu gewinnen. Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende.
Wenn Emiliano Cortés auf die Jagd nach Sonnenlicht geht, nutzt er keine gigantischen Spiegel oder Solarparks. Im Gegenteil: Der Professor für Experimentalphysik und Energiekonversion an der LMU (Ludwigs Maximilians Universität München) taucht in den Nanokosmos ab. „Wo die energiereichen Teilchen des Sonnenlichts auf atomare Strukturen treffen, beginnt unsere Forschung“, sagt Cortés. „Wir arbeiten an Materiallösungen, um Solarenergie effizienter zu nutzen.“ Seine Erkenntnisse haben großes Potenzial für neuartige Solarzellen und Photokatalysatoren. Doch es gibt eine Herausforderung, weiß 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 von der anderen Richtung: 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 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 mithilfevon Sonnenlicht anbelangt“, betont Cortés.
Nano-Hotspots entfesseln Katalysekraft
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 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. „Durch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen wir die Entwicklung potenter Photokatalysatoren für die Industrie voran, zum Beispiel dieUmwandlung von CO2 in nutzbare Substanzen“, erklären Cortés und Herrán, die ihre Materialentwicklung bereits patentiert haben.
Publikation
Plasmonic Bimetallic Two-Dimensional Supercrystals for H2 Generation (https://www.nature.com/articles/s41929-023-01053-9) . Matías Herrán,
Sabrina Juergensen, Moritz Kessens, Dominik Hoeing, Andrea Köppen,
Ana Sousa-Castillo, Wolfgang J. Parak, Holger Lange, Stephanie Reich,
Florian Schulz, Emiliano Cortés, Nature Catalysis, 2023. DOI:
10.1038/s41929-023-01053-9
Kontakt
Dr. Matías Herrán
Nano-Institut München, Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität
E-Mail: mailto:matias.herran@physik.uni-muenchen.de
Prof. Dr. Emiliano Cortés
Nano-Institut München, Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität
E-Mail: mailto:Emiliano.Cortes@lmu.deWebseite: http://www.nano-energy.org
Twitter/X: @HybridNano
Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München, Kommunikation und Presse, Forschungsredaktion Einsichten. Das Forschungsmagazin
Fossile CO2-Emissionen erreichen neues Rekordhoch
Der neue Bericht des Global Carbon Project zeigt: Die fossilen CO2-Emissionen werden 2023 ein Rekordhoch erreichen. Bleiben die Emissionen so hoch, wird das verbliebene Kohlenstoffbudget zur Einhaltung der 1,5°C-Grenze voraussichtlich in sieben Jahren aufgebraucht sein. Die Emissionen aus der Landnutzung nehmen zwar leicht ab, sind aber immer noch zu hoch, um durch nachwachsende Wälder und Aufforstung kompensiert werden zu können.
Regional waren die Trends sehr unterschiedlich: Während die fossilen Emissionen in Indien und China anstiegen (+8,2% bzw. + 4,0%), sanken sie in Europa und den USA (-7,4% bzw. -3,0%) und geringfügig auch im Rest der Welt (-0,4%). Für Europa etwa begründen die Autoren den Rückgang mit demAusbau der erneuerbaren Energien und den Auswirkungen der Energiekrise. Das Wachstum in China sei teilweise auf eine verzögerte Erholung von den Auswirkungen der COVID-bedingten Lockdowns zurückzuführen.
