太阳能的超级突破：超级晶体助力绿色氢能转型

氢气是能源转型的基石。为了借助太阳能获取氢气，慕尼黑大学的研究人员开发了新型高性能纳米结构。该材料以太阳能生产绿色氢气创下了世界纪录。

当Emiliano Cortés寻找阳光时，他不使用巨大的镜子或庞大的太阳能电池场。相反，这位慕尼黑大学实验物理学和能源转换教授将目光投向了纳米宇宙。Cortés表示：“阳光的高能粒子，光子，与原子结构相遇的地方就是我们研究的起点。”他说：“我们正在寻找材料解决方案，以更高效地捕获和利用太阳能。”

太阳能创新解决方案

他的研究发现具有巨大潜力，因为它们使新型太阳能电池和光催化剂成为可能。后者备受期待，因为它们可以使光能可用于化学反应，而无需发电。但是，Cortés了解到，使用太阳能时面临着一个主要挑战，太阳能电池也要应对这个挑战：“太阳光抵达地球时是‘稀释的’，因此单位面积的能量相对较低。”太阳能电池通过覆盖大面积来弥补这一点。

然而，Cortés从另一个方向解决这个问题：与其说是从另一个方向，不如说是通过他在慕尼黑大学的纳米研究所的团队，该团队得到了e-conversion卓越集群、Solar Technologies go Hybrid（巴伐利亚州科学和艺术部的一项倡议）和欧洲研究理事会等多方资助。他正在开发所谓的等离子纳米结构，用于聚焦太阳能。

太阳能转化的突破

在最近发表在《自然催化》杂志上的一篇论文中，Cortés与现任柏林弗里茨·哈伯研究所的Matías Herran博士以及自由柏林大学和汉堡大学的合作伙伴一起，展示了一种二维超级晶体，可以利用太阳能从甲酸中生成氢气。

Cortés指出：“事实上，该材料非常出色，以至于它创下了使用太阳能生产氢气的世界纪录。”这对于光催化剂和氢气作为能源载体的生产都是个好消息，因为它们在成功的能源转型中起着重要作用。

用微型磁铁集中太阳能

为了制作他们的超级晶体，Cortés和Herrán在纳米尺度上使用了两种不同的金属。“我们首先使用等离子体金属，即我们的情况下的金，从10-200纳米的尺度范围内创建颗粒，” Herrán解释道。“在这个尺度上，等离子体金属，包括银、铜、铝和镁，会发生一种特殊的现象：可见光与金属的电子强烈相互作用，导致它们共同快速振荡，形成一种微型磁铁。专家将其称为偶极矩。”“对于入射光来说，这是一个强烈的变化，因此随后它会与金属纳米颗粒相互作用得更强烈。”Cortés解释说：“类似地，可以将这个过程想象成是一个在分子尺度上集中能量的超级透镜。”这使得纳米颗粒能够捕获更多太阳能并将其转化为高能电子。这些电子反过来有助于推动化学反应。

纳米热点释放催化力量

但是这种能量如何被利用呢？为此，慕尼黑大学的科学家们与汉堡大学的研究人员合作。他们按照自组织原理在表面上有序地排列金颗粒。颗粒必须非常接近但不能接触，以实现最大化的光-物质相互作用。

与柏林自由大学的研究团队一起研究了材料的光学特性后，慕尼黑大学的研究人员发现光吸收增加了许多倍。Herrán说：“金纳米颗粒阵列极其高效地聚焦入射光，产生高度局部化和强大的电场，即所谓的热点。”

这些热点形成在金颗粒之间，这给了Cortés和Herrán一个想法，即将铂纳米颗粒放置在这些间隙中。这同样是由汉堡的研究团队完成的。

Herrán解释说：“铂不是光催化的理想材料，因为它对太阳光的吸收较差。然而，我们可以将其强制置于热点中，以增强这种本来吸收差的材料，并用光能量驱动化学反应。在我们的案例中，这种反应将甲酸转化为氢气。” 通过甲酸产生的氢气每小时每克催化剂达到139毫摩尔，这种光催化材料目前保持着使用太阳能生产氢气的世界纪录。

走向可持续氢气生产

如今，氢气主要是从化石燃料中产生的，主要是从天然气中产生的。为了转向更可持续的生产，全球各地的研究团队正在致力于使用替代原料，包括甲酸、氨和水的技术。焦点还放在开发适用于大规模生产的光催化反应器上。Cortés和Herrán解释说：“像我们这样的巧妙材料解决方案是技术成功的重要组成部分。”“通过结合等离子体和催化金属，我们正在推动强大光催化剂的发展，适用于工业应用。这是一种利用太阳能的新方式，也为其他反应，如将CO2转化为可用物质，提供了潜力。”这两位研究人员已经对他们的材料开展了专利申请。