Superkristall knackt Rekord für solaren Wasserstoff

Photokatalyse-Rekord: Ein neu entwickelter bimetallischer Superkristall erzeugt Wasserstoff mithilfe des Sonnenlichts – und hat einen neuen Weltrekord für die solare Wasserstoffproduktion aufgestellt. Möglich wird dies dank der Kombination von Gold- und Platin-Nanopartikeln in einem einlagigen Kombi-Kristall. Dieser absorbiert das Sonnenlicht und nutzt diese Energie, um Ameisensäure hocheffizient in Wasserstoff und CO2 aufzuspalten. Auch andere photokatalytische Reaktionen ließen sich so optimieren, wie die Forschenden berichten.

„Grüner“ Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Um ihn zu gewinnen, kann man erneuerbaren Strom für die Elektrolyse von Wasser einsetzen. Doch es geht auch noch direkter: durch die solare Wasserspaltung. Nach Vorbild der pflanzlichen Photosynthese werden dabei Katalysatoren eingesetzt, die die Energie des Sonnenlichts direkt absorbieren und für die chemische Reaktion nutzen. Die Spanne der bisherigen Ansätze reicht von schwimmenden Blättern über solare Nanofabriken bis zu Photoreaktoren für das Hausdach.

Ein Kombi-Kristall aus Gold und Platin

Jetzt kommt ein weiterer Ansatz hinzu: Matias Herran von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und sein Team haben katalytische Nanopartikel so kombiniert, dass sie solaren Wasserstoff mit hoher Effizienz erzeugen können. Ausgangspunkt dafür sind 100 bis 200 Nanometer kleine Gold-Nanopartikel, die bereits dafür bekannt sind, Sonnenlicht hocheffizient zu absorbieren. „In dieser Größenordnung wechselwirkt das sichtbare Licht sehr stark mit den Goldelektronen und veranlasst diese zu einer resonanten Schwingung“, erklärt Herran.

Für ihren neuartigen „Superkristall“ erzeugten die Forschenden eine größtenteils nur eine Atomlage dicke Schicht aus den Gold-Nanopartikeln. In diesem zweidimensionalen Kristall liegen die Goldatome in einem regelmäßigen hexagonalen Muster vor. Wird diese Goldschicht mit Licht bestrahlt, konzentriert sich die aufgenommene Energie an bestimmten Stellen: „Es entstehen zwischen den Goldpartikeln starke lokale elektrische Felder, die Hotspots“, sagt Herrán. In diesen Hotspots platzierte das Team Platin-Nanopartikel, die für ihre katalytische Wirkung bei der Spaltung von Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen bekannt sind.

Arbeitsteilung im Superkristall

Das Resultat ist ein „Superkristall“ aus zwei metallischen Nanopartikeln, die in nahezu perfekter Arbeitsteilung zusammenwirken: Die Gold-Nanopartikel absorbieren die Energie des Sonnenlichts und wandeln sie in elektrische Felder um. Die Platin-Nanopartikel nutzen diese Elektronen, um eine chemische Reaktion anzutreiben – in ersten Tests wählte das Team dafür die Spaltung von Ameisensäure (CH₂O₂) in Wasserstoff und CO2.

Es zeigte sich: Bei einer Bestrahlung, die dem normalen Sonnenlichteinfall entspricht, und ohne weitere Zusätze, begann der Superkristall, Wasserstoff zu produzieren. Die Produktionsrate des solaren Wasserstoffs lag bei 139 Millimol pro Gramm Katalysator und Stunde – das ist ein neuer Weltrekord bei der photokatalytischen Wasserstofferzeugung, wie das Team berichtet. Als Grund für diese hohe Effizienz sehen sie die Kombination der plasmonischen, lichtabsorbierenden Goldpartikel mit den katalytisch aktiven Platin-Teilchen.

Auch für andere photokatalytische Reaktionen nutzbar

Nach Ansicht des Forschungsteams könnte ihr Ansatz auch für andere photokatalytische Reaktionen angepasst werden, wie beispielsweise 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“, erklären die Forschenden. Sie haben ihren „Superkristall“ bereits patentieren lassen. (Nature Catalysis, 2023; doi: 10.1038/s41929-023-01053-9)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München