Η χρήση νανοδομών ωθεί την πρόοδο στη παραγωγή υδρογόνου με τη χρήση ηλιακού φωτός
Σε μια πρωτοποριακή μελέτη, μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) του Μονάχου, με επικεφαλής τον καθηγητή Emiliano Cortés, κατόρθωσε την ανάπτυξη καινοτόμων νανοδομών, επιτυγχάνοντας την καθιέρωση της παγκόσμιας πρωτοκαθεδρίας στη παραγωγή υδρογόνου με τη χρήση ηλιακού φωτός. Αυτή η πρακτικά εφαρμοστέα τεχνολογική σύλληψη αποτελεί εξελικτικό άλμα μεθοδολογικής καινοτομίας στο πεδίο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και της βιώσιμης παραγωγής υδρογόνου.
Αξιοποίηση του ηλιακού φωτός σε νανοκλίμακα
Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους οι οποίες περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ηλιακών πάρκων μεγάλης κλίμακας, η προσέγγιση της ερευνητικής ομάδας του καθηγητή Cortés εστιάζει σε νάνοεπίπεδο. “Η έρευνά μας ξεκινά εκεί όπου τα σωματίδια υψηλής ενέργειας του ηλιακού φωτός διασταυρώνονται με τις ατομικές δομές”, διευκρινίζει ο καθηγητής Cortés. Η ομάδα, η οποία εδρεύει στο Ινστιτούτο Nano του LMU και υποστηρίζεται από τη συστάδα αριστείας e-conversion, την πρωτοβουλία Solar Technologies go Hybrid και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, αυτή τη στιγμή πρωτοπορεί στη χρήση πλασμονικών νανοδομών για την εντατικοποίηση της απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας.
a,b, Πειραματικά φάσματα ανάκλασης, διαπερατότητας και απορρόφησης που εξαρτώνται από το στρώμα του καθαρού υπερκρυστάλλου Au (a) και του διμεταλλικού υπερκρυστάλλου AuPt (b). c,d, Φάσματα σταθμισμένης ανάκλασης, διαπερατότητας και απορρόφησης του καθαρού υπερκρυστάλλου Au (c) και του διμεταλλικού υπερκρυστάλλου AuPt (d) από την ανάλυση της σύστασης των διαφορετικών αριθμών στρώματος.
Ένας δισδιάστατος υπερκρύσταλλος για περισσότερο αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου
Στη πρόσφατη δημοσίευση τους στο επιστημονικό περιοδικό Nature Catalysis, ο Dr. Cortés, ο Dr. Matías Herran και οι συνεργάτες-μέλη της ερευνητικής ομάδας τους από το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, παρουσίασαν έναν υπερκρύσταλλο δύο διαστάσεων ικανό να παράγει υδρογόνο από μυρμηκικό οξύ αποκλειστικά μέσω της παθητικής έκθεσης στο ηλιακό φως. Το υλικό το οποίο αναπτύχθηκε σημειώνει τόσο εντυπωσιακή ενεργειακή παραγωγική δυναμική που κατέχει επί του παρόντος το παγκόσμιο ρεκόρ παραγωγής υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια.
Ο μηχανισμός: Καταλυτική μετατροπή
Ο υπερκρύσταλλος των Cortés και Herrán αξιοποιεί νανοσκοπικά σωματίδια πλασμονικού μετάλλου, συγκεκριμένα χρυσού, για να συλλάβει και να μετατρέψει το ηλιακό φως σε ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Σε αυτή την κλίμακα, το ορατό φως προκαλεί μια ταλάντωση συντονισμού στα ηλεκτρόνια του χρυσού. Οι ταλαντώσεις αυτές δημιουργούν εξαιρετικά συγκεκριμένης χωρικής συγκέντρωσης και ιδιαίτερα σημαντικής έντασης ηλεκτρικά πεδία, γνωστά ως “θερμά σημεία”, μεταξύ των σωματιδίων χρυσού. Η καινοτομία έγκειται στη στρατηγική τοποθέτηση νανοσωματιδίων λευκόχρυσου ανάμεσα στα «μεσοδιαστήματα» που μεσολαβούν μεταξύ των σημείων, καταλύοντας τη μετατροπή του μυρμηκικού οξέος σε υδρογόνο. Το φωτοκαταλυτικό υλικό πέτυχε υπό εργαστηριακές συνθήκες την παραγωγή υδρογόνου με ρυθμό παραγωγής 139 χιλιοστομόλων ανά ώρα ανά γραμμάριο καταλύτη, θέτοντας ένα νέο σημείο αναφοράς στον τομέα.
Η εξαρτώμενη από το μήκος κύματος παραγωγή H2 (μπλε) και η ένταση του ηλεκτρικού (Ε) πεδίου (μαύρο) στα hotspot σχεδιάστηκαν με τη σταθμισμένη απορρόφηση (γκρι) στο ορατό φάσμα, με κορύφωση στα 650 nm και μέσες τιμές από τρεις μετρήσεις, ενώ η ένταση σταθμισμένου ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ δύο AuNP με ένα PtNP στο κέντρο εμφανίζει ασυμμετρία λόγω αριθμητικής ανακρίβειας, και η κινητική σε AuNPs δείχνει ότι δεν υπάρχουν διαφορές στη διάσπαση του πλασμονίου με την ένταξη της πλατίνας.
Ανοίγοντας το δρόμο για τη βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου
Επί του παρόντος, η παραγωγή υδρογόνου βασίζεται κυρίως σε ορυκτά καύσιμα και ιδίως στο φυσικό αέριο. Η ανάπτυξη αυτών των ισχυρών φωτοκαταλυτών μέσων παραγωγής υδρογόνου από τους Cortés και Herrán ανοίγει το δρόμο για την καθιέρωση περισσότερο βιώσιμων και αποδοτικών βιομηχανικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μετατροπής του CO2 σε αξιοποιήσιμα παράγωγα.
Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο καταδεικνύει τις δυνατότητες της ενσωμάτωσης στη νανομηχανική στον τομέα των πρακτικών εφαρμογών μετατροπής ενέργειας, αλλά προσφέρει παράλληλα και μια βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση για την παραγωγή υδρογόνου, σε απόλυτη ευθυγράμμιση με τις προσπάθειες για την εξεύρεση καθαρότερων πηγών ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα.
Πηγή:
Herran, M., Juergensen, S., Kessens, M., Hoeing, D., Köppen, A., Sousa-Castillo, A., Parak, W. J., Lange, H., Reich, S., Schulz, F., & Cortés, E. (2023, November 30). Plasmonic bimetallic two-dimensional supercrystals for H2 generation. Nature Catalysis. https://doi.org/10.1038/s41929-023-01053-9
