06.03.2020
Die meisten Photokatalysatoren haben ihr Absorptionsmaximum außerhalb des Sonnenlichtspektrums. Nun ist es Wissenschaftlern des Exzellenzcluster e-conversion gelungen, die Energieausbeute mit nanophotonischen Methoden deutlich zu erhöhen.
Photokatalyse birgt die Möglichkeit, die Energie des Sonnenlichts direkt chemisch zu speichern. Ein Beispiel ist die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, den wichtigsten Treibstoff für Brennstoffzellen. Das Prinzip ist seit über 50 Jahren bekannt. Bisher fand es allerdings nur sehr begrenzt Anwendung, denn die Umwandlung von der einen in die andere Energieform ist nicht effizient genug. Ein Grund dafür ist, dass die Photokatalysatoren transparent sind und somit im Großteil des Sonnenlichtspektrums eine geringe optische Absorption besitzen.
Ein Team um die Physikprofessoren Stefan Maier und Emiliano Cortés von der LMU sowie Ian Sharp von der Technischen Universität München (TUM), allesamt auch Mitglieder des Exzellenzclusters e-conversion, konnte nun nachweisen, dass die niedrige Absorption mit nanophotonischen Methoden deutlich verstärkt werden kann. Je nach Material beträgt die Verstärkung bis zu 150 Prozent. Sie strukturierten modifiziertes Titandioxid – ein typisches Material in der Photokatalyse – in zylindrische Nanopartikel. Diese sogenannten Nanoresonatoren weisen im spektralen Bereich des Sonnenlichts eine bestimmte Anregungsform auf, den „Anapol“. Die Ausbreitung des Lichts überlagert sich in den Nanoresonatoren derartig, dass es in ihren Inneren konzentriert wird und somit hohe elektrische Felder entstehen. Der gewünschte Effekt: Die Resonatoren absorbieren deutlich mehr Sonnenlicht.
Durch ihre Arbeit entschlüsselten die Physiker, wie sich Geometrie und optische Eigenschaften der Partikel auf den Anapol auswirken. Mit diesem Wissen gelang es ihnen, die Form der Partikel so zu variieren, dass sich die Absorption gezielt in einzelnen Bereichen des Sonnenlichtspektrums erhöhte. Von großer Bedeutung ist dabei, dass sich dieser Zusammenhang und somit die Optimierung der Absorption auch auf andere Materialien anwenden lässt.
Im nächsten Schritt möchten die Forscher testen, wie sich ihre im Kleinen sehr erfolgreiche Methode auch in hochskalierter Form bewährt. Und so werden die Proben demnächst nicht mehr aus einzelnen Partikeln, sondern gleich mehreren Millionen Nanoresonatoren bestehen.ACS Nano 2020
Mehr zur Forschung von Stefan Maier: Forschung am Nano-Institut: Licht unter Kontrolle