当埃米利亚诺·科尔特斯寻找阳光时，他不会使用巨大的镜子或庞大的太阳能发电场。恰恰相反，慕尼黑大学实验物理和能量转换教授深入研究了纳米宇宙。

“太阳光的高能粒子，即光子，与原子结构相遇的地方就是我们研究的起点，”科尔特斯说。“我们正在研究材料解决方案，以更有效地捕获和利用太阳能。”

他的发现具有巨大的潜力，因为它们可以实现新型太阳能电池和光催化剂。业界对后者寄予厚望，因为它们可以使光能用于化学反应，从而绕过发电的需要。但利用阳光有一个重大挑战，太阳能电池也必须应对这一挑战，科尔特斯知道：“阳光到达地球时被‘稀释’，因此单位面积的能量相对较低。” 太阳能电池板通过覆盖大面积来弥补这一点。

然而，可以说，科尔特斯正在从另一个方向解决这个问题。他与慕尼黑大学纳米研究所的团队一起开发所谓的等离子体纳米结构，可用于聚集太阳能。

在《自然催化》杂志上，Cortés 与柏林弗里茨哈伯研究所的 Matías Herran 博士以及柏林自由大学和汉堡大学的合作伙伴一起，提出了一种由甲酸产生氢气的二维超晶体在阳光的帮助下。

“事实上，这种材料非常出色，它保持着利用阳光生产氢气的世界纪录，”科尔特斯指出。这对于光催化剂和作为能源载体的氢的生产来说是个好消息，因为它们在成功的能源转型中发挥着重要作用。

用微型磁铁聚集太阳能

Cortés 和 Herrán 在他们的超晶体中使用了两种不同的纳米级金属。“我们首先用等离子体金属(在我们的例子中是金)制造 10-200 纳米范围内的粒子，”Herrán 解释道。

“在这种尺度上，等离子体金属(还包括银、铜、铝和镁)会发生一种特殊现象：可见光与金属的电子相互作用非常强烈，导致它们共振振荡。” 这意味着电子从纳米粒子的一侧非常快速地集体移动到另一侧，形成一种微型磁铁。专家将此称为偶极矩。

“对于入射光来说，这是一个强烈的变化，因此它随后与金属纳米颗粒的相互作用更加强烈，”科尔特斯解释道。“类似地，我们可以将这一过程想象成一个聚集能量的超级透镜。我们的纳米材料可以做到这一点，但是是在分子尺度上。” 这使得纳米粒子能够捕获更多的阳光并将其转化为非常高能的电子。这些反过来又有助于推动化学反应。

纳米热点释放催化能力

但如何利用这种能量呢?为此，慕尼黑大学的科学家与汉堡大学的研究人员合作。他们根据自组织原理将金颗粒有序地排列在表面上。粒子必须非常接近但不能接触，以实现最大程度的光与物质相互作用。慕尼黑大学的研究人员与柏林自由大学的一个研究小组合作研究了该材料的光学特性，发现光吸收增加了许多倍。

Herrán 说：“金纳米粒子阵列极其高效地聚焦入射光，​​产生高度局部化的强电场，即所谓的热点。” 它们在金颗粒之间形成，这让 Cortés 和 Herrán 产生了将铂纳米颗粒(一种经典而强大的催化剂材料)放置在空隙中的想法。

来自汉堡的研究小组再次完成了这项工作。“铂不是光催化的首选材料，因为它吸收阳光的能力很差。但是，我们可以迫使它进入热点，以增强这种原本较差的吸收并与光能发生化学反应。在我们的例子中，该反应将甲酸转化为氢气”，赫兰解释道。该光催化材料的甲酸制氢速率为每小时139毫摩尔每克催化剂，目前保持着利用阳光制氢的世界纪录。

推动绿色氢气生产

如今，氢主要由化石燃料(主要是天然气)生产。为了转向更可持续的生产，世界各地的研究团队正在研究使用替代原料(包括甲酸、氨和水)的技术。重点还在于开发适合大规模生产的光催化反应器。

两位研究人员表示：“像我们这样的聪明材料解决方案是该技术成功的重要组成部分。” “通过结合等离子体和催化金属，我们正在推进工业应用的强效光催化剂的开发。这是一种利用阳光的新方法，也为其他反应提供了潜力，例如将 CO 2转化为可用物质，”Cortés 和赫兰解释道。两位研究人员已经为其材料开发申请了专利。

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