Kristalle mit Spinantrieb: Ein Durchbruch in der sauberen Wasserstoffproduktion
Wissenschaftler am MPI CPfS und dem Weizmann-Institut haben einen aufregenden neuen Ansatz zur Erzeugung sauberer Wasserstoffenergie entdeckt, bei dem eine bemerkenswerte Klasse von Kristallen verwendet wird, die die Quanteneigenschaften von Elektronen nutzen.
Die Wasserspaltung – die Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff – ist ein vielversprechender Weg zu nachhaltiger Energie. Dieser Prozess wurde jedoch lange Zeit durch die langsame chemische Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion in Frage gestellt, die die Wasserstoffproduktion ineffizient und kostspielig macht.
Ein internationales Forschungsteam hat nun eine bahnbrechende Lösung gefunden. Durch die Verwendung spezieller Kristalle mit einzigartigen intrinsischen „chiralen“ Strukturen – d. h. sie haben eine charakteristische links- oder rechtshändige Atomanordnung – haben die Forscher den Prozess der Wasserspaltung erheblich verbessert.
Die topologischen chiralen Kristalle, die aus Rhodium und Elementen wie Silizium, Zinn und Wismut bestehen, besitzen eine außergewöhnliche Fähigkeit, den Elektronenspin zu manipulieren. Diese quantenmechanische Eigenschaft ermöglicht einen hocheffizienten Elektronentransfer zur Sauerstofferzeugung, wodurch die chemische Gesamtreaktion erheblich beschleunigt wird.
„Diese Kristalle sind im Grunde Quantenmaschinen“, sagt Dr. Xia Wang, leitende Forscherin am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe. “Durch die Nutzung der einzigartigen Spineigenschaften von Elektronen haben wir einen Katalysator geschaffen, der herkömmliche Materialien um das 200-fache übertrifft.“ Prof. Binghai Yan (Weizmann Institute of Science) fügt hinzu: „Uns ist bewusst, dass unsere Katalysatoren immer noch seltene Elemente enthalten, aber wir sind zuversichtlich, dass wir auf der Grundlage unseres Entwurfsplans bald hocheffiziente und auch nachhaltige Katalysatoren entwickeln werden.“
Dieser Durchbruch ist nicht nur eine wissenschaftliche Kuriosität – er stellt einen potenziellen Sprung nach vorne in der Technologie für erneuerbare Energien dar. Der neue Katalysator könnte die Wasserstoffproduktion schneller, effizienter und wirtschaftlicher machen und uns einer sauberen Energiezukunft näher bringen.
Die von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts CPfS und des Weizmann Institute of Science durchgeführte Forschung zeigt, wie modernste Quantenphysik reale Energieprobleme lösen kann.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Xia.Wang@cpfs.mpg.de
Originalpublikation:
https://dx.doi.org/10.1038/s41560-024-01674-9
Weitere Informationen:
https://www.cpfs.mpg.de/3695486/20241125
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