Meer zonne-energie oogsten met tweedimensionale superkristallen

Als Emiliano Cortés op zoek gaat naar zonlicht, gebruikt hij geen gigantische spiegels of uitgestrekte zonneparken. Integendeel: de hoogleraar experimentele natuurkunde en energieconversie aan LMU duikt in de nanokosmos.

“Waar de hoogenergetische deeltjes van zonlicht, de fotonen, atomaire structuren ontmoeten, begint ons onderzoek”, zegt Cortés. “We werken aan materiële oplossingen om zonne-energie efficiënter op te vangen en te gebruiken.”

Zijn bevindingen hebben een groot potentieel omdat ze nieuwe zonnecellen en fotokatalysatoren mogelijk maken. De industrie heeft hoge verwachtingen van dit laatste omdat ze lichtenergie toegankelijk kunnen maken voor chemische reacties, waardoor de noodzaak om elektriciteit op te wekken wordt omzeild. Maar er is één grote uitdaging bij het gebruik van zonlicht, waar zonnecellen ook mee te maken hebben, weet Cortés: “Zonlicht komt ‘verdund’ op aarde aan, dus de energie per gebied is relatief laag.” Zonnepanelen compenseren dit door grote oppervlakken te bestrijken.

Cortés benadert het probleem echter als het ware vanuit de andere richting. Met zijn team bij LMU’s Nano-Instituut ontwikkelt hij zogenaamde plasmonische nanostructuren die gebruikt kunnen worden om zonne-energie te concentreren.

In het journaal NatuurkatalyseCortés presenteert samen met Dr. Matías Herran, nu aan het Fritz Haber Instituut, Berlijn, en samenwerkingspartners van de Vrije Universiteit van Berlijn en de Universiteit van Hamburg een tweedimensionaal superkristal dat met behulp van zonlicht waterstof genereert uit mierenzuur .

“Het materiaal is zo voortreffelijk dat het het wereldrecord in handen heeft voor de productie van waterstof met behulp van zonlicht”, legt Cortés uit. Dit is goed nieuws voor de productie van zowel fotokatalysatoren als waterstof als energiedrager, aangezien deze een belangrijke rol spelen in een succesvolle energietransitie.

Zonne-energie concentreren met miniatuurmagneten

Voor hun superkristal gebruiken Cortés en Herrán twee verschillende metalen op nanoschaalformaat. “We creëren eerst deeltjes in het bereik van 10 tot 200 nanometer uit een plasmonisch metaal, wat in ons geval goud is”, legt Herrán uit.

“Op deze schaal doet zich een speciaal fenomeen voor bij plasmonische metalen, waartoe ook zilver, koper, aluminium en magnesium behoren: zichtbaar licht heeft een zeer sterke wisselwerking met de elektronen van het metaal, waardoor ze resonant gaan oscilleren.” Dit betekent dat de elektronen gezamenlijk zeer snel van de ene kant van het nanodeeltje naar de andere bewegen, waardoor een soort minimagneet ontstaat. Deskundigen noemen dit een dipoolmoment.

“Voor het invallende licht is dit een sterke verandering, zodat het vervolgens veel sterker interageert met het metallische nanodeeltje”, legt Cortés uit. “Op analoge wijze kun je het proces zien als een superlens die de energie concentreert. Onze nanomaterialen doen dat, maar dan op moleculaire schaal.” Hierdoor kunnen de nanodeeltjes meer zonlicht opvangen en omzetten in elektronen met zeer hoge energie. Deze helpen op hun beurt chemische reacties te veroorzaken.

Nanohotspots ontketenen katalytische kracht

Maar hoe kan deze energie worden benut? Voor dat doel werkten de LMU-wetenschappers samen met onderzoekers van de Universiteit van Hamburg. Ze rangschikten gouddeeltjes op een ordelijke manier op een oppervlak volgens het principe van zelforganisatie. De deeltjes moeten heel dichtbij zijn, maar elkaar niet raken, voor maximale interacties tussen licht en materie. In samenwerking met een onderzoeksteam van de Freie Universität Berlin, dat de optische eigenschappen van het materiaal bestudeerde, ontdekten de LMU-onderzoekers dat de lichtabsorptie vele malen toenam.

“De gouden nanodeeltjesarrays concentreren het binnenkomende licht uiterst efficiënt, wat zeer gelokaliseerde en sterke elektrische velden oplevert, de zogenaamde hotspots”, zegt Herrán. Deze vormen zich tussen de gouddeeltjes, wat Cortés en Herrán op het idee bracht om platina nanodeeltjes, een klassiek en krachtig katalysatormateriaal, precies in de tussenruimten te plaatsen.

Dit werd opnieuw gedaan door het onderzoeksteam uit Hamburg. “Platinum is niet het materiaal bij uitstek voor fotokatalyse omdat het zonlicht slecht absorbeert. We kunnen het echter in hotspots dwingen om deze anders slechte absorptie te verbeteren en chemische reacties aan te drijven met de lichtenergie. In ons geval zet de reactie mierenzuur om in waterstof ”, legt Herrán uit. Met een waterstofproductiesnelheid uit mierenzuur van 139 millimol per uur en per gram katalysator heeft het fotokatalytische materiaal momenteel het wereldrecord voor H₂ productie met zonlicht.

Een impuls voor een groenere waterstofproductie

Tegenwoordig wordt waterstof voornamelijk geproduceerd uit fossiele brandstoffen, voornamelijk uit aardgas. Om over te schakelen naar een duurzamere productie werken onderzoeksteams over de hele wereld aan technologieën die alternatieve grondstoffen gebruiken, waaronder mierenzuur, ammoniak en water. Daarnaast ligt de focus op de ontwikkeling van fotokatalytische reactoren die geschikt zijn voor grootschalige productie.

“Slimme materiaaloplossingen zoals de onze zijn een belangrijke bouwsteen voor het succes van de technologie”, aldus de twee onderzoekers. “Door plasmonische en katalytische metalen te combineren, bevorderen we de ontwikkeling van krachtige fotokatalysatoren voor industriële toepassingen. Het is een nieuwe manier om zonlicht te gebruiken en een manier die potentieel biedt voor andere reacties, zoals de omzetting van CO₂ tot bruikbare stoffen”, leggen Cortés en Herrán uit. De twee onderzoekers hebben hun materiaalontwikkeling al gepatenteerd.