Er komt een nieuwe methode om zonne-energie te oogsten, dankzij wetenschappers van de scheikundeafdelingen van UC Santa Barbara, Chemische technologie, en Materialen. Hoewel nog in de kinderschoenen, het onderzoek belooft zonlicht om te zetten in energie met behulp van een proces op basis van metalen die robuuster zijn dan veel van de halfgeleiders die in conventionele methoden worden gebruikt. De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Het is het eerste radicaal nieuwe en potentieel werkbare alternatief voor op halfgeleiders gebaseerde zonneconversieapparaten die in de afgelopen 70 jaar zijn ontwikkeld, " zei Martin Moskovits, hoogleraar scheikunde aan de UCSB.

Bij conventionele fotoprocessen, een technologie die in de afgelopen eeuw is ontwikkeld en gebruikt, zonlicht valt op het oppervlak van halfgeleidermateriaal, waarvan één kant elektronenrijk is, terwijl de andere kant dat niet is. het foton, of licht deeltje, prikkelt de elektronen, waardoor ze hun post verlaten, en creëer positief geladen 'gaten'. Het resultaat is een stroom van geladen deeltjes die kunnen worden opgevangen en afgeleverd voor verschillende toepassingen, inclusief het aandrijven van gloeilampen, batterijen opladen, of het vergemakkelijken van chemische reacties.

"Bijvoorbeeld, de elektronen kunnen ervoor zorgen dat waterstofionen in water worden omgezet in waterstof, een brandstof, terwijl de gaten zuurstof produceren, ' zei Moskovits.

In de technologie die door Moskovits en zijn team is ontwikkeld, het zijn geen halfgeleidermaterialen die de elektronen en de locatie voor de omzetting van zonne-energie leveren, maar nanogestructureerde metalen - een "bos" van gouden nanostaafjes, Om specifiek te zijn.

Voor dit experiment is gouden nanostaafjes werden afgedekt met een laag kristallijn titaniumdioxide versierd met platina-nanodeeltjes, en in water zetten. Een op kobalt gebaseerde oxidatiekatalysator werd afgezet op het onderste deel van de reeks.

"Als nanostructuren, zoals nanostaafjes, van bepaalde metalen worden blootgesteld aan zichtbaar licht, de geleidingselektronen van het metaal kunnen collectief oscilleren, een groot deel van het licht absorberen, "zei Moskovits. "Deze opwinding wordt een oppervlakteplasmon genoemd."

Omdat de "hete" elektronen in deze plasmongolven worden geëxciteerd door lichtdeeltjes, sommigen reizen de nanostaaf op, door een filterlaag van kristallijn titaniumdioxide, en worden opgevangen door platinadeeltjes. Dit veroorzaakt de reactie die waterstofionen splitst van de binding die water vormt. In de tussentijd, de gaten achtergelaten door de geëxciteerde elektronen gaan naar de op kobalt gebaseerde katalysator op het onderste deel van de staaf om zuurstof te vormen.

Volgens de studie, waterstofproductie was duidelijk waarneembaar na ongeveer twee uur. Aanvullend, de nanostaafjes waren niet onderhevig aan de fotocorrosie die er vaak voor zorgt dat traditioneel halfgeleidermateriaal binnen enkele minuten faalt.

"Het apparaat werkte wekenlang zonder enig spoor van storing, ', aldus Moskovits.

De plasmonische methode om water te splitsen is momenteel minder efficiënt en duurder dan conventionele fotoprocessen, maar als de laatste eeuw van fotovoltaïsche technologie iets heeft laten zien, het is dat voortgezet onderzoek de kosten en efficiëntie van deze nieuwe methode zal verbeteren - en waarschijnlijk in veel minder tijd dan nodig was voor de op halfgeleiders gebaseerde technologie, zei Moskovits.

"Ondanks de recentheid van de ontdekking, we hebben al 'respectabele' efficiëntie bereikt. Belangrijker, we kunnen ons haalbare strategieën voorstellen om de efficiëntie radicaal te verbeteren, " hij zei.

Onderzoek in deze studie werd ook uitgevoerd door postdoctorale onderzoekers Syed Mubeen en Joun Lee; afgestudeerde student Nirala Singh; materiaalingenieur Stephan Kraemer; en scheikundeprofessor Galen Stucky.