Robert Klatt
Ein zweidimensionaler Kristall aus Nanopartikeln hat eine neue Rekordeffizienz bei der Produktion von solarem Wasserstoff erreicht. Möglich war dies durch die Kombination von Gold- und Platin.
München (Deutschland). Klimaneutraler Wasserstoff kann per Elektrolyse mit erneuerbarem Strom aus Wasser gewonnen werden. Alternativ kann Wasserstoff mithilfe der solaren Wasserspaltung, der die Energie des Sonnenlichts chemische Reaktionen antreibt, produziert werden. Dieses Verfahren kommt etwa bei modularen Photoreaktoren zum Einsatz, mit denen Wasserstoff auf Hausdächern gewonnen werden kann.
Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Matias Heran haben nun eine weitere Methode entwickelt. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Catalysis haben sie mit katalytischen Nanopartikel eine neue Rekordeffizienz bei der Produktion von solarem Wasserstoff erreicht. Die Basis des Systems bilden 100 bis 200 Nanometer kleine Nanopartikel aus Gold, die das Licht der Sonne absorbieren.
„In dieser Größenordnung wechselwirkt das sichtbare Licht sehr stark mit den Goldelektronen und veranlasst diese zu einer resonanten Schwingung.“
Der neue Kristall aus München besteht aus einer Schicht aus Goldnanopartikeln, die nur ein Atom dick ist. Die Goldatome des zweidimensionalen Kristalls bilden ein gleichmäßiges, hexagonales Muster. Dieses führt dazu, dass sich das absorbierte Sonnenlicht an spezifischen Punkten konzentriert. In diesen starken lokalen Feldern haben die Forscher Nanopartikel aus Platin positioniert, die dafür bekannt sind, Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen effektiv spalten zu können.
Der sogenannte „Superkristall“ aus Gold- und Platinnanopartikel besitzt eine nahezu perfekte Arbeitsteilung. Die Goldpartikel absorbieren das Sonnenlicht und wandeln es in elektrische Felder um. Diese Felder werden von den Platinnanopartikel verwendet, um chemische Reaktionen anzutreiben, wie die Spaltung von Ameisensäure in Wasserstoff und CO₂.
Der Superkristall konnte unter normalen ohne zusätzliche Hilfsmittel 139 Millimol Wasserstoff pro Gramm Katalysator in der Stunde erreichen. Dies ist ein neuer Weltrekord in der photokatalytischen Wasserstofferzeugung. Laut den Forschern lässt sich der Ansatz auch in anderen photokatalytischen Reaktionen verwendet, darunter die Umwandlung von CO₂ in Synthesegas, Kohlenmonoxid oder Methanol,
„Durch die Kombination aus plasmonischen und katalytischen Metallen bringen wir die Entwicklung potenter Photokatalysatoren für die Industrie voran.“
Nature Catalysis, doi: 10.1038/s41929-023-01053-9
