{"id":95975,"date":"2023-12-09T02:33:00","date_gmt":"2023-12-09T01:33:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=95975"},"modified":"2023-12-07T16:34:21","modified_gmt":"2023-12-07T15:34:21","slug":"mit-superkristallen-mehr-sonnenenergie-ernten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/mit-superkristallen-mehr-sonnenenergie-ernten\/","title":{"rendered":"Mit Superkristallen mehr Sonnenenergie ernten"},"content":{"rendered":"\n

Ein Baustein f\u00fcr die Energiewende ist Wasserstoff. Um ihn mithilfe von Solarenergie zu gewinnen, haben LMU-Forscher neue Hochleistungs-Nanostrukturen entwickelt. Das Material h\u00e4lt einen Weltrekord bez\u00fcglich gr\u00fcner Wasserstoff-Produktion mit Sonnenlicht.<\/p>\n\n\n\n

Wenn Emiliano Cort\u00e9s<\/a> auf die Jagd nach Sonnenlicht geht, nutzt er keine gigantischen Spiegel oder weitl\u00e4ufige Solarparks. Ganz im Gegenteil: Der Professor f\u00fcr Experimentalphysik und Energiekonversion an der LMU taucht in den Nanokosmos ab. \u201eWo die energiereichen Teilchen des Sonnenlichts, die Photonen, auf atomare Strukturen treffen, beginnt unsere Forschung\u201c, sagt Cort\u00e9s. \u201eWir arbeiten an Materiall\u00f6sungen, mit denen sich Solarenergie effizienter einfangen und nutzen l\u00e4sst.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Seine Erkenntnisse haben gro\u00dfes Potenzial: Neuartige Solarzellen und Photokatalysatoren werden damit m\u00f6glich. In letztere setzt auch die Industrie gro\u00dfe Hoffnungen, denn sie k\u00f6nnen Lichtenergie \u2013 ohne Umwege \u00fcber die Stromerzeugung \u2013 f\u00fcr chemische Reaktionen zug\u00e4nglich machen. Doch es gibt eine gro\u00dfe Herausforderung, die die Nutzung von Sonnenlicht mit sich bringt und mit denen auch Solarzellen zu k\u00e4mpfen haben, wei\u00df Cort\u00e9s: \u201eDas Sonnenlicht kommt auf der Erde \u201averd\u00fcnnt\u2018 an, also die Energie pro Fl\u00e4che ist vergleichsweise gering.\u201c Solaranlagen kompensieren das, indem sie sich \u00fcber gro\u00dfe Fl\u00e4chen erstrecken.<\/p>\n\n\n\n

Cort\u00e9s n\u00e4hert sich diesem Problem sozusagen von der anderen Richtung: Mit seinem Team am Nano-Institut der LMU<\/a>, das unter anderem vom Exzellenzcluster e-conversion, von Solar Technologies go Hybrid (eine Initiative des Bayerischen Staatsministeriums f\u00fcr Wissenschaft und Kunst) und dem European Research Council gef\u00f6rdert wird, entwickelt er sogenannte plasmonische Nanostrukturen, mit deren Hilfe sich die Sonnenenergie konzentrieren l\u00e4sst. In einer aktuellen Publikation in Nature Catalysis<\/em><\/a> pr\u00e4sentiert Cort\u00e9s gemeinsam mit Dr. Mat\u00edas Herr\u00e1n, mittlerweile am Fritz-Haber-Institut in Berlin, und Kooperationspartnern der Freien Universit\u00e4t Berlin und der Universit\u00e4t Hamburg einen zweidimensionalen Superkristall, der aus Ameisens\u00e4ure mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt. \u201eDas Material ist sogar so herausragend, dass es den Weltrekord h\u00e4lt, was die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht anbelangt\u201c, betont Cort\u00e9s. Sowohl f\u00fcr die Herstellung von Photokatalysatoren als auch Wasserstoff als Energietr\u00e4ger ist das eine gute Nachricht, denn sie spielen eine wichtige Rolle f\u00fcr eine erfolgreiche Energiewende.<\/p>\n\n\n\n

Mit Mini-Magneten die Sonnenenergie b\u00fcndeln<\/h4>\n\n\n\n

F\u00fcr ihren Superkristall nutzen Cort\u00e9s und Herran zwei verschiedene Metalle im Nanoformat. \u201eWir stellen zun\u00e4chst aus einem plasmonischen Metall \u2013 in unserem Fall ist das Gold \u2013Partikel im Bereich von 10-200 Nanometern her\u201c, erkl\u00e4rt Herr\u00e1n. \u201eIn dieser Gr\u00f6\u00dfenordnung kommt es bei plasmonischen Metallen, zu denen auch Silber, Kupfer, Aluminium und Magnesium z\u00e4hlen, zu einem besonderen Ph\u00e4nomen: Das sichtbare Licht wechselwirkt sehr stark mit den Elektronen des Metalls und veranlassen diese zu einer resonanten Schwingung.\u201c Das bedeutet: Die Elektronen bewegen sich im Kollektiv sehr schnell von einer zur anderen Seite im Nanopartikel. Dadurch entsteht eine Art Mini-Magnet. Experten sprechen von einem Dipolmoment. \u201eF\u00fcr das einfallende Licht ist das eine starke Ver\u00e4nderung, sodass es in der Folge viel st\u00e4rker mit dem metallischen Nanopartikel interagiert\u201c, erkl\u00e4rt Cort\u00e9s. \u201eAnalog kann man sich diesen Prozess wie eine Art Superlinse vorstellen, die die Energie konzentriert. Unsere Nanomaterialien tun das, allerdings auf molekularer Ebene.\u201c Dadurch fangen die Nanopartikel mehr Sonnenlicht ein und wandeln es in sehr energiereiche Elektronen um. Diese sind wiederum hilfreich, um chemische Reaktionen voranzutreiben.<\/p>\n\n\n\n

Nano-Hotspots entfesseln Katalysekraft<\/h4>\n\n\n\n

Doch wie l\u00e4sst sich diese Energie nutzen? Um das herauszufinden, kooperierten LMU-Wissenschaftler mit einer Forschungsgruppe der Universit\u00e4t Hamburg. Diese arrangierten die Goldteilchen nach dem Prinzip der Selbstorganisation geordnet auf einer Oberfl\u00e4che. Um eine maximale Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu erreichen, m\u00fcssen die Goldpartikel nah beieinander sein, d\u00fcrfen sich aber nicht ber\u00fchren. In Zusammenarbeit mit einem Forschungsteam der Freien Universit\u00e4t Berlin, das die optischen Eigenschaften des Materials untersuchte, stellten die LMU-Forscher fest: Die Lichtabsorption erh\u00f6ht sich um ein Vielfaches. \u201eDie Gold-Nanopartikel-Anordnung b\u00fcndelt das einfallende Licht \u00e4u\u00dferst effizient und erzeugt starke lokale elektrische Felder, die sogenannten Hotspots\u201c, sagt Herr\u00e1n. Diese bilden sich zwischen den Goldpartikeln aus. Das brachte Cort\u00e9s und Herran auf die Idee, Nanopartikel aus Platin, einem klassischen und leistungsf\u00e4higen Katalysatormaterial, genau in die Zwischenr\u00e4ume zu platzieren. Diesen Part \u00fcbernahm wieder das Forscherteam aus Hamburg. \u201ePlatin ist zwar nicht das Material der Wahl f\u00fcr die Photokatalyse, weil es das Sonnenlicht schlecht absorbiert. In den Hotspots jedoch k\u00f6nnen wir es dazu zwingen, die ansonsten schlechte Absorption zu verst\u00e4rken und chemische Reaktionen mit Lichtenergie anzutreiben. In unserem Fall ist das die Umsetzung von Ameisens\u00e4ure zu Wasserstoff\u201c, erkl\u00e4rt Herr\u00e1n. Mit einer Wasserstoffproduktionsrate \u2013 ausgehend von Ameisens\u00e4ure \u2013 von 139 Millimol pro Stunde und pro Gramm Katalysator h\u00e4lt das photokatalytische Material derzeit den Weltrekord in Sachen H2<\/sub>-Produktion mit Sonnenlicht.<\/p>\n\n\n\n

Impulse f\u00fcr eine gr\u00fcnere Wasserstoffproduktion<\/h4>\n\n\n\n

Heutzutage wird Wasserstoff in erster Linie aus fossilen Rohstoffen, allen voran Erdgas, hergestellt. Um auf eine nachhaltigere Produktion umzustellen, arbeiten Forscherteams weltweit an Technologien, die alternative Ausgangssubstanzen nutzen \u2013 dazu z\u00e4hlen neben Ameisens\u00e4ure auch Ammoniak oder Wasser. Im Fokus steht zudem die Entwicklung photokatalytischer Reaktoren, die sich f\u00fcr eine gro\u00dftechnische Produktion eignen. \u201eClevere Materiall\u00f6sungen wie unsere sind ein wichtiger Baustein f\u00fcr den Erfolg der Technologie\u201c, sagen die beiden Forscher. \u201eDurch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen wir die Entwicklung potenter Photokatalysatoren f\u00fcr die Industrie voran. Es ist ein neuer Weg, um Sonnenlicht zu nutzen, und ein Weg, der Potenzial f\u00fcr weitere Reaktionen bietet wie zum Beispiel die Umwandlung von CO2<\/sub> in nutzbare Substanzen\u201c, erkl\u00e4ren Cort\u00e9s und Herr\u00e1n, die ihre Materialentwicklung bereits patentiert haben.<\/p>\n\n\n\n