氫是能源轉型的基石。為了利用太陽能獲得氫氣，LMU 的研究人員開發了新型高性能奈米結構。這種材料創造了利用太陽能綠色氫氣生產的世界紀錄。

當埃米利亞諾-科爾特斯（Emiliano Cortés）去尋找陽光時，他不會使用巨大的反射鏡或鋪天蓋地的太陽能發電場。恰恰相反，這位LMU 實驗物理學和能源轉換教授潛心研究奈米宇宙。「太陽光中的高能粒子（光子）與原子結構相遇的地方，就是我們研究的起點，」科爾特斯說。”我們正在研究材料解決方案，以便更有效地捕獲和利用太陽能。”

他的研究成果具有巨大的潛力，因為它們可以實現新型太陽能電池和光催化劑。業界對光催化劑寄予厚望，因為它們可以使光能用於化學反應–繞過發電的需要。但科爾特斯知道，利用太陽光有一個重大挑戰，太陽能電池也必須應對：”太陽光到達地球時被’稀釋’了，因此單位面積的能量相對較低”。太陽能電池板透過大面積覆蓋來彌補這一不足。

埃米利亞諾-科爾特斯正在研究更有效地捕捉和利用太陽能的材料解決方案。圖片來源： 奈米能源集團

不過，科爾特斯可以說是從另一個方向來解決這個問題的： 他正與他的團隊一起，在巴伐利亞州立大學奈米研究所，由電子轉換卓越集群、太陽能混合技術（Solar Technologies go Hybrid） （巴伐利亞州政府科學與藝術部的一項倡議）和歐洲研究理事會等機構資助下開發可用於集中太陽能的所謂等離子奈米結構。

最近，科爾特斯與柏林弗里茨-哈伯研究所的馬蒂亞斯-赫蘭博士以及柏林自由大學和漢堡大學的合作夥伴一起，在《自然-催化》雜誌上發表了一篇文章，介紹了一種二維超晶，它能藉助陽光從甲酸中產生氫氣。

科爾特斯指出：”事實上，這種材料非常出色，它保持了利用陽光制氫的世界紀錄。這對生產光催化劑和作為能源載體的氫來說都是好消息，因為它們在成功的能源轉型中發揮重要作用。”

對於他們的超級晶體，Cortés 和Herrán 使用了兩種不同的奈米級金屬Herrán 解釋說：”我們首先用等離子金屬–在我們的例子中是金，製造出10-200 奈米的顆粒。在這種在尺度上，質子金屬（也包括銀、銅、鋁和鎂）會出現一種特殊現象：可見光與金屬電子的相互作用非常強烈，導致它們共振。”

這意味著電子從奈米粒子的一側集體快速移動到另一側，形成一種微型磁鐵。專家稱此為偶極矩。科爾特斯解釋說：”對於入射光而言，這是一種強烈的變化，因此它隨後會與金屬奈米粒子產生更強烈的相互作用。類似地，我們可以把這一過程看作是一個超級透鏡集中能量的過程。我們的奈米材料就是在分子尺度上做到了這一點。這使得奈米粒子能夠捕捉更多的陽光，並將其轉化為高能量電子。這些電子反過來又有助於驅動化學反應。”

但如何才能利用這種能量呢？為此，LMU 的科學家與漢堡大學的研究人員進行了合作。他們根據自組織原理，將金粒子有序地排列在表面上。顆粒必須非常接近，但不能接觸，這樣才能最大限度地實現光-物質相互作用。

柏林工業大學的研究人員與柏林自由大學的研究小組合作研究了這種材料的光學特性，他們發現光的吸收增加了許多倍。金奈米粒子陣列能極為有效聚焦入射光，​​產生高度局部化的強電場，即所謂的熱點。

這些熱點形成於金顆粒之間，這讓科爾特斯和埃蘭產生了將鉑奈米顆粒（一種經典的強力催化劑材料）置於熱點間隙的想法。漢堡的研究小組再次完成了這項工作。

“鉑不是光催化的首選材料，因為它對陽光的吸收能力很差。但是，我們可以在熱點區域強制使用鉑，以增強這種本來很差的吸收能力，並利用光能促進化學反應。在在我們的案例中，反應將甲酸轉化為氫氣，”Herrán 解釋道。
這種光催化材料每克催化劑每小時從甲酸產生139 毫摩爾的氫氣，目前保持著利用太陽光生產氫氣的世界紀錄。

目前，氫氣主要由化石燃料（主要是天然氣）生產。為了轉向更永續的生產方式，世界各地的研究團隊正在研究使用替代原料（包括甲酸、氨和水）的技術。研究重點還包括開發適合大規模生產的光催化反應器。”像我們這樣聰明的材料解決方案是技術成功的重要基石，」兩位研究人員提到。”透過將等離子體金屬和催化金屬結合，我們正在推進工業應用的強效光催化劑的開發。這是一種利用陽光的新方法，為其他反應（如將二氧化碳轉化為可用物質）提供了潛力。”

兩位研究人員已經為他們的材料開發申請了專利。

編譯自/ ScitechDaily