|
Сбор энергии с помощью суперкристаллов
|
|
|
|
Когда Эмилиано Кортес отправляется на поиски солнечного света, он не использует гигантские зеркала или обширные солнечные фермы. Напротив, профессор экспериментальной физики и преобразования энергии ЛМУ погружается в нанокосмос. «Наши исследования начинаются там, где высокоэнергетические частицы солнечного света, фотоны, встречаются с атомными структурами», — говорит Кортес. «Мы работаем над материальными решениями для более эффективного улавливания и использования солнечной энергии». Его открытия имеют большой потенциал, поскольку они позволяют создавать новые солнечные элементы и фотокатализаторы. Промышленность возлагает большие надежды на последние, поскольку они могут сделать энергию света доступной для химических реакций, минуя необходимость выработки электроэнергии. Но есть одна серьезная проблема в использовании солнечного света, с которой также приходится бороться солнечным элементам, как знает Кортес: «Солнечный свет поступает на Землю «разбавленным», поэтому энергия на единицу площади сравнительно невелика». Солнечные панели компенсируют это, покрывая большие площади.
|
|
|
|
Однако Кортес подходит к проблеме, так сказать, с другой стороны. Вместе со своей командой в Нано-институте ЛМУ он разрабатывает так называемые плазмонные наноструктуры, которые можно использовать для концентрации солнечной энергии. В журнале Nature Catalysis Кортес вместе с доктором Матиасом Херраном, сейчас работающим в Институте Фрица Хабера в Берлине, и партнерами по сотрудничеству из Свободного университета Берлина и Гамбургского университета представляют двумерный суперкристалл, который генерирует водород из муравьиной кислоты. с помощью солнечного света. «Этот материал настолько выдающийся, что он является мировым рекордсменом по производству водорода с использованием солнечного света», — отмечает Кортес. Это хорошая новость для производства как фотокатализаторов, так и водорода в качестве энергоносителя, поскольку они играют важную роль в успешном энергетическом переходе.
|
|
|
Для своего суперкристалла Кортес и Эрран используют два разных металла в наноразмерном формате. «Сначала мы создаем частицы размером от 10 до 200 нанометров из плазмонного металла, которым в нашем случае является золото», — объясняет Эрран. «В этом масштабе с плазмонными металлами, к которым также относятся серебро, медь, алюминий и магний, происходит особое явление: видимый свет очень сильно взаимодействует с электронами металла, заставляя их резонансно колебаться». Это означает, что электроны очень быстро перемещаются коллективно с одной стороны наночастицы на другую, создавая своего рода мини-магнит. Эксперты называют это дипольным моментом. «Для падающего света это сильное изменение, поэтому впоследствии он гораздо сильнее взаимодействует с металлическими наночастицами», — объясняет Кортес. «Аналогично, можно представить этот процесс как суперлинзу, концентрирующую энергию. Наши наноматериалы делают это, но на молекулярном уровне». Это позволяет наночастицам захватывать больше солнечного света и преобразовывать его в электроны очень высокой энергии. Они, в свою очередь, помогают запускать химические реакции.
|
|
|
|
Но как можно использовать эту энергию? С этой целью ученые LMU объединились с исследователями из Гамбургского университета. Они упорядоченно расположили частицы золота на поверхности по принципу самоорганизации. Частицы должны располагаться очень близко, но не соприкасаться, чтобы взаимодействие света и материи было максимальным. В сотрудничестве с исследовательской группой из Свободного университета Берлина, которая изучала оптические свойства материала, исследователи LMU обнаружили, что поглощение света увеличилось во много раз. «Массивы золотых наночастиц фокусируют падающий свет чрезвычайно эффективно, создавая высоко локализованные и сильные электрические поля, так называемые горячие точки», — говорит Эрран. Они образуются между частицами золота, что натолкнуло Кортеса и Эррана на мысль разместить наночастицы платины, классический и мощный материал-катализатор, прямо в промежутках. Это снова сделала исследовательская группа из Гамбурга. «Платина не является предпочтительным материалом для фотокатализа, потому что она плохо поглощает солнечный свет. Однако мы можем заставить ее работать в горячих точках, чтобы усилить это плохое поглощение и активировать химические реакции с помощью энергии света. В нашем случае реакция превращает муравьиную кислоту в водород», - объясняет Эрран.
|
|
|
|
При скорости производства водорода из муравьиной кислоты 139 миллимолей в час на грамм катализатора фотокаталитический материал в настоящее время является мировым рекордсменом по производству H2 под действием солнечного света. Сегодня водород в основном производится из ископаемого топлива, преимущественно из природного газа. Чтобы перейти к более устойчивому производству, исследовательские группы по всему миру работают над технологиями, использующими альтернативное сырье, включая муравьиную кислоту, аммиак и воду. Основное внимание также уделяется разработке фотокаталитических реакторов, пригодных для крупномасштабного производства. «Умные решения в области материалов, подобные нашему, являются важным строительным блоком для успеха этой технологии», — отметили два исследователя. «Объединяя плазмонные и каталитические металлы, мы продвигаем разработку мощных фотокатализаторов для промышленного применения. Это новый способ использования солнечного света, который открывает потенциал для других реакций, таких как преобразование CO2 в полезные вещества», — Кортес и Эрран объяснять. Оба исследователя уже запатентовали свою разработку материала.
|
|
|
|
Источник
|
