新型高性能纳米结构创造了太阳能绿色制氢效率的世界纪录

当埃米利亚诺-科尔特斯（Emiliano Cortés）去寻找阳光时，他不会使用巨大的反射镜或铺天盖地的太阳能发电场。恰恰相反，这位 LMU 实验物理学和能源转换教授潜心研究纳米宇宙。"太阳光中的高能粒子（光子）与原子结构相遇的地方，就是我们研究的起点，"科尔特斯说。"我们正在研究材料解决方案，以便更有效地捕获和利用太阳能。"

他的研究成果具有巨大的潜力，因为它们可以实现新型太阳能电池和光催化剂。业界对光催化剂寄予厚望，因为它们可以使光能用于化学反应--绕过发电的需要。但科尔特斯知道，利用太阳光有一个重大挑战，太阳能电池也必须应对："太阳光到达地球时被'稀释'了，因此单位面积的能量相对较低"。太阳能电池板通过大面积覆盖来弥补这一不足。

埃米利亚诺-科尔特斯正在研究更有效地捕捉和利用太阳能的材料解决方案。图片来源： 纳米能源集团

不过，科尔特斯可以说是从另一个方向来解决这个问题的： 他正与他的团队一起，在巴伐利亚州立大学纳米研究所，由电子转换卓越集群、太阳能混合技术（Solar Technologies go Hybrid）（巴伐利亚州政府科学与艺术部的一项倡议）和欧洲研究理事会等机构资助下开发可用于集中太阳能的所谓等离子纳米结构。

最近，科尔特斯与柏林弗里茨-哈伯研究所的马蒂亚斯-赫兰博士以及柏林自由大学和汉堡大学的合作伙伴一起，在《自然-催化》杂志上发表了一篇文章，介绍了一种二维超晶，它能借助阳光从甲酸中产生氢气。

科尔特斯指出："事实上，这种材料非常出色，它保持了利用阳光制氢的世界纪录。这对生产光催化剂和作为能源载体的氢来说都是好消息，因为它们在成功的能源转型中发挥着重要作用。"

对于他们的超级晶体，Cortés 和 Herrán 使用了两种不同的纳米级金属Herrán 解释说："我们首先用等离子金属--在我们的例子中是金，制造出 10-200 纳米的颗粒。在这种尺度上，质子金属（也包括银、铜、铝和镁）会出现一种特殊现象：可见光与金属电子的相互作用非常强烈，导致它们发生共振。"

这意味着电子从纳米粒子的一侧集体快速移动到另一侧，形成一种微型磁体。专家将此称为偶极矩。科尔特斯解释说："对于入射光而言，这是一种强烈的变化，因此它随后会与金属纳米粒子产生更强烈的相互作用。类似地，我们可以把这一过程看作是一个超级透镜集中能量的过程。我们的纳米材料就是在分子尺度上做到了这一点。这使得纳米粒子能够捕获更多的阳光，并将其转化为高能电子。这些电子反过来又有助于驱动化学反应。"

但如何才能利用这种能量呢？为此，LMU 的科学家们与汉堡大学的研究人员进行了合作。他们根据自组织原理，将金粒子有序地排列在表面上。颗粒必须非常接近，但不能接触，这样才能最大限度地实现光-物质相互作用。

柏林工业大学的研究人员与柏林自由大学的一个研究小组合作研究了这种材料的光学特性，他们发现光的吸收增加了许多倍。金纳米粒子阵列能极其有效地聚焦入射光，产生高度局部化的强电场，即所谓的热点。

这些热点形成于金颗粒之间，这让科尔特斯和埃兰产生了将铂纳米颗粒（一种经典的强力催化剂材料）置于热点间隙的想法。汉堡的研究小组再次完成了这项工作。

"铂不是光催化的首选材料，因为它对阳光的吸收能力很差。但是，我们可以在热点区域强制使用铂，以增强这种本来很差的吸收能力，并利用光能促进化学反应。在我们的案例中，反应将甲酸转化为氢气，"Herrán 解释道。
这种光催化材料每克催化剂每小时从甲酸中产生 139 毫摩尔的氢气，目前保持着利用太阳光生产氢气的世界纪录。

目前，氢气主要由化石燃料（主要是天然气）生产。为了转向更可持续的生产方式，世界各地的研究团队正在研究使用替代原料（包括甲酸、氨和水）的技术。研究重点还包括开发适合大规模生产的光催化反应器。"像我们这样聪明的材料解决方案是技术成功的重要基石，"两位研究人员提到。"通过将等离子体金属和催化金属相结合，我们正在推进工业应用的强效光催化剂的开发。这是一种利用阳光的新方法，为其他反应（如将二氧化碳转化为可用物质）提供了潜力。"

两位研究人员已经为他们的材料开发申请了专利。

编译自/ScitechDaily