När Emiliano Cortés går på jakt efter solljus använder han inte gigantiska speglar eller vidsträckta solgårdar. Tvärtom, professorn i experimentell fysik och energiomvandling vid LMU dyker ner i nanokosmos.
"Där högenergipartiklarna av solljus, fotoner, möter atomära strukturer är där vår forskning börjar," säger Cortés. "Vi arbetar på materiallösningar för att fånga och använda solenergi mer effektivt."
Hans fynd har stor potential eftersom de möjliggör nya solceller och fotokatalysatorer. Industrin har stora förhoppningar på det senare eftersom de kan göra ljusenergi tillgänglig för kemiska reaktioner – kringgå behovet av att generera el. Men det finns en stor utmaning med att använda solljus, som solceller också måste kämpa med, Cortés vet:"Solljus kommer till jorden "utspätt", så energin per område är jämförelsevis låg." Solpaneler kompenserar för detta genom att täcka stora ytor.
Cortés närmar sig dock problemet från andra hållet, så att säga. Tillsammans med sitt team på LMU:s Nano-Institut utvecklar han så kallade plasmoniska nanostrukturer som kan användas för att koncentrera solenergi.
I tidskriften Nature Catalysis , Cortés, tillsammans med Dr. Matías Herran, nu vid Fritz Haber Institute, Berlin, och samarbetspartners från Free University of Berlin och University of Hamburg, presenterar en tvådimensionell superkristall som genererar väte från myrsyra med hjälp av solljus .
"Materialet är faktiskt så enastående att det har världsrekordet för att producera väte med solljus", påpekar Cortés. Detta är goda nyheter för produktionen av både fotokatalysatorer och väte som energibärare eftersom de spelar en viktig roll i en framgångsrik energiomställning.
För sin superkristall använder Cortés och Herrán två olika metaller i nanoskalaformat. "Vi skapar först partiklar i intervallet 10–200 nanometer från en plasmonisk metall - som i vårt fall är guld", förklarar Herrán.
"I denna skala uppstår ett speciellt fenomen med plasmoniska metaller, som även inkluderar silver, koppar, aluminium och magnesium:synligt ljus interagerar mycket starkt med metallens elektroner, vilket får dem att svänga resonant." Det betyder att elektronerna rör sig kollektivt mycket snabbt från ena sidan av nanopartikeln till den andra, vilket skapar en sorts minimagnet. Experter kallar detta ett dipolmoment.
"För det infallande ljuset är detta en stark förändring så att det därefter interagerar mycket starkare med den metalliska nanopartikeln," förklarar Cortés. "Analogt kan man tänka på processen som en superlins som koncentrerar energin. Våra nanomaterial gör det men på molekylär skala." Detta gör att nanopartiklarna kan fånga mer solljus och omvandla det till mycket högenergielektroner. Dessa i sin tur hjälper till att driva kemiska reaktioner.
Men hur kan denna energi utnyttjas? För det ändamålet slog LMU-forskarna sig ihop med forskare vid universitetet i Hamburg. De arrangerade guldpartiklar på ett ordnat sätt på en yta enligt principen om självorganisering. Partiklarna måste vara mycket nära men inte vidröra för maximerad ljus-materia-interaktion. I samarbete med en forskargrupp från Freie Universität Berlin, som studerade materialets optiska egenskaper, fann LMU-forskarna att ljusabsorptionen ökade många gånger om.
"Guldnanopartikelmatriserna fokuserar det inkommande ljuset extremt effektivt, ger, mycket lokaliserade och starka elektriska fält, de så kallade hotspots", säger Herrán. Dessa bildas mellan guldpartiklarna, vilket gav Cortés och Herrán idén att placera platinananopartiklar, ett klassiskt och kraftfullt katalysatormaterial, mitt i mellanrummen.
Detta gjordes återigen av forskargruppen från Hamburg. "Platina är inte det valda materialet för fotokatalys eftersom det absorberar solljus dåligt. Men vi kan tvinga det i hotspots för att förbättra denna annars dåliga absorption och driva kemiska reaktioner med ljusenergin. I vårt fall omvandlar reaktionen myrsyra till väte ", förklarar Herrán. Med en väteproduktionshastighet från myrsyra på 139 millimol per timme och per gram katalysator, har det fotokatalytiska materialet för närvarande världsrekordet för H2 produktion med solljus.
Idag framställs väte främst från fossila bränslen, främst från naturgas. För att gå över till en mer hållbar produktion arbetar forskarlag runt om i världen med teknik som använder alternativa råvaror – inklusive myrsyra, ammoniak och vatten. Fokus ligger också på att utveckla fotokatalytiska reaktorer lämpliga för storskalig produktion.
"Smarta materiallösningar som vår är en viktig byggsten för teknikens framgång", sa de två forskarna. "Genom att kombinera plasmoniska och katalytiska metaller främjar vi utvecklingen av potenta fotokatalysatorer för industriella applikationer. Det är ett nytt sätt att använda solljus och ett som erbjuder potential för andra reaktioner såsom omvandlingen av CO2 till användbara ämnen", förklarar Cortés och Herrán. De två forskarna har redan patenterat sin materialutveckling.
Mer information: Matias Herran et al, Plasmoniska bimetalliska tvådimensionella superkristaller för H2-generering, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01053-9
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av Ludwig Maximilian University of München
