Ein deutsches Forschungsteam hat bimetallische, zweidimensionale Superkristalle mit hervorragenden katalytischen Eigenschaften entwickelt. Mit ihnen lässt sich durch die Zersetzung von Ameisensäure Wasserstoff erzeugen – und das mit Rekordergebnissen.
Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) haben eine photokatalytische Technologie zur Wasserstofferzeugung auf Basis von bimetallischen zweidimensionalen Plasma-Superkristallen entwickelt.
Die Forscher stellten plasmonische Strukturen her, indem sie einzelne Goldnanopartikel (AuNPs) und Platinnanopartikel (PtNPs) kombinierten.
Der Forscher Emiliano Cortes sagte: „Die Anordnung der Goldnanopartikel ist äußerst effektiv bei der Fokussierung des einfallenden Lichts und der Erzeugung starker lokaler elektrischer Felder, sogenannter Hotspots, die sich zwischen den Goldpartikeln bilden.“
In der vorgeschlagenen Systemkonfiguration interagiert sichtbares Licht sehr stark mit den Elektronen im Metall und versetzt sie in Resonanz. Dadurch bewegen sich die Elektronen kollektiv und schnell von einer Seite des Nanopartikels zur anderen. Dies erzeugt einen winzigen Magneten, den Experten als Dipolmoment bezeichnen.
Sie ergibt sich aus der Größe der Ladung und dem Abstand zwischen den Zentren der positiven und negativen Ladungen. Dadurch absorbieren die Nanopartikel mehr Sonnenlicht und wandeln es in hochenergetische Elektronen um. Diese Elektronen tragen zur Steuerung chemischer Reaktionen bei.
Die akademische Gemeinschaft hat die Wirksamkeit plasmonischer bimetallischer 2D-Superkristalle bei der Zersetzung von Ameisensäure getestet.
„Die Sondenreaktion wurde gewählt, weil Gold weniger reaktiv ist als Platin und weil es ein klimaneutraler H2-Träger ist“, sagten sie.
„Die experimentell nachgewiesene Leistungssteigerung von Platin unter Lichteinwirkung deutet darauf hin, dass die Wechselwirkung des einfallenden Lichts mit der Goldstruktur zur Bildung von Platin unter Spannung führt“, so die Forscher. „Tatsächlich weisen AuPt-Superkristalle die beste Plasmaleistung auf, wenn Ameisensäure als H₂-Träger verwendet wird.“
Der Kristall wies eine H₂-Produktionsrate von 139 mmol pro Gramm Katalysator und Stunde auf. Das Forschungsteam erklärte, dies bedeute, dass das photokatalytische Material nun den Weltrekord für die Wasserstoffproduktion durch Dehydrierung von Ameisensäure unter dem Einfluss von sichtbarem Licht und Sonnenstrahlung halte.
Die Wissenschaftler präsentieren in ihrer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Catalice veröffentlichten Studie „Plasmonische bimetallische 2D-Superkristalle zur Wasserstofferzeugung“ eine neue Lösung. Dem Team gehören Forscher der Freien Universität Berlin, der Universität Hamburg und der Universität Potsdam an.
„Durch die Kombination von Plasmonen und katalytischen Metallen treiben wir die Entwicklung leistungsstarker Photokatalysatoren für industrielle Anwendungen voran. Dies ist eine neue Art der Nutzung von Sonnenlicht und birgt auch Potenzial für andere Reaktionen, wie beispielsweise die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Substanzen“, sagte Cole Thes.
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