Hydrogen gas, een belangrijke synthetische grondstof, staat klaar om een ​​sleutelrol te spelen in de technologie voor hernieuwbare energie; echter, zijn geloofsbrieven worden ondermijnd omdat de meeste momenteel afkomstig zijn van fossiele brandstoffen, zoals aardgas. Een KAUST-team heeft nu een duurzamere route gevonden voor de productie van waterstofbrandstof met behulp van chaotische, lichtvangende materialen die natuurlijke fotosynthetische watersplitsing nabootsen.

De complexe enzymen in planten zijn onpraktisch om te produceren, dus hebben onderzoekers fotokatalysatoren ontwikkeld die gebruik maken van hoge energie, hete elektronen om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstofgas. Onlangs, nanogestructureerde metalen die zonne-elektronen omzetten in intense, golfachtige plasmonresonanties hebben belangstelling gewekt voor de productie van waterstof. De hogesnelheidsmetaalplasmonen helpen dragers over te brengen naar katalytische locaties voordat ze ontspannen en de katalytische efficiëntie verminderen.

Het is een uitdaging om metalen nanodeeltjes te laten reageren op het hele breedbandspectrum van zichtbaar licht. "Plasmonische systemen hebben specifieke geometrieën die alleen licht vangen bij karakteristieke frequenties, " legt Andrea Fratalocchi uit, die het onderzoek leidde. "Sommige benaderingen proberen meerdere nanostructuren te combineren om meer kleuren op te nemen, maar deze absorpties vinden plaats op verschillende ruimtelijke locaties, dus de energie van de zon wordt niet erg efficiënt geoogst."

Fratalocchi en zijn team bedachten een nieuwe strategie met behulp van metalen nanostructuren die bekend staan ​​als epsilon-near-zero (ENZ) metamaterialen die groeien met willekeurige, fractal naalden vergelijkbaar met een kleine dennenboom. In de holtes gevormd door de uitstekende metalen takken, de voortplanting van licht vertraagt ​​tot een bijna stilstand. Hierdoor kan de ENZ-stof alle zichtbare lichtkleuren naar dezelfde locaties op nanometerschaal persen.

Echter, het optimaliseren van het ENZ-materiaal voor waterstofopwekking bleek een langdurig proces van maanden. Niet elke naaldachtige structuur werkt op dezelfde manier, wat betekende dat het team alle fabricageparameters moest verfijnen om de juiste stoornis voor efficiënte reacties te vinden. Vervolgens, het kiezen van halfgeleidend titaandioxide als substraat om hete elektronen te verzamelen vereiste kristallen met een extreem hoge zuiverheid. Eindelijk, de concentratie en positie van platina-nanodeeltjes die worden gebruikt om watermoleculen katalytisch te splitsen, moesten nauwkeurig worden gecontroleerd, afzettingen die moeilijk zijn met de complexe geometrie van ENZ.

Het resultaat was het doorzettingsvermogen waard:experimenten toonden aan dat de ENZ-fotokatalysator breedbandlicht gebruikte om hete dragers te genereren binnen een smal grensvlak van 10 nm voor een totale efficiëntiewinst van 300%.

"Vanwege de mogelijkheid om hun absorptie te beheersen, de ENZ-nanostructuren zijn ideale kandidaten voor het oogsten van zonne-energie, ", zegt Fratalocchi. "We hebben onlangs een industrieel prototype ontwikkeld met een indrukwekkende efficiëntie, wat ons erg optimistisch maakt over de toekomstige mogelijkheden van deze technologie."