(Phys.org) —Aangezien de afhankelijkheid van de wereld van fossiele brandstoffen steeds grotere problemen veroorzaakt, onderzoekers onderzoeken zonnebrandstoffen als alternatieve energiebron. Om zonnebrandstoffen te maken, zonlicht wordt omgezet in waterstof of een ander soort chemische energie. Vergeleken met de energie die wordt geproduceerd door zonnecellen, die zonlicht direct omzetten in elektriciteit, Zonnebrandstoffen zoals waterstof hebben het voordeel dat ze gemakkelijker kunnen worden opgeslagen voor later gebruik.

Door de enorme hoeveelheid zonlicht die de aarde bereikt, zonne-brandstofopwekking heeft het potentieel om te dienen als een schone, terawatt-schaal wereldwijde energiebron. Maar om dit te laten gebeuren, de fotokatalysatoren die de lichtabsorptie en het opvangen van licht verbeteren, moeten worden verbeterd, zowel in termen van hogere prestaties als lagere kosten.

In een nieuwe studie, onderzoekers Soo Jin Kim, et al., aan het Geballe-laboratorium voor geavanceerde materialen in Stanford, Californië, hebben aangetoond dat fotokatalysatoren gemaakt van ijzeroxide aanzienlijke prestatieverbeteringen vertonen wanneer ze zijn voorzien van een patroon met nanostructuren. Hun paper is gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Ik denk dat de belangrijkste vooruitgang is dat het werk waardevolle richtlijnen zal bieden voor het ontwerp van nieuwe, nanogestructureerde fotokatalysatormaterialen die licht effectief kunnen absorberen en katalytische reacties kunnen aansturen, "Professor Mark L. Brongersma van Stanford vertelde" Phys.org . "Hopelijk, het zal meer onderzoek naar fotonenbeheer voor fotokatalysatormaterialen stimuleren. Het gebruik van fotonenbeheer bij de opwekking van zonnebrandstof loopt sterk achter bij de ontwikkeling van fotonenbeheerstrategieën voor zonnecellen."

Zoals de onderzoekers uitleggen, ijzeroxide in de hematietfase (Fe ₂ O ₃ ) is een aarde-overvloedige halfgeleider met een bandgap-energie van 590 nm, wat als bijna optimaal wordt beschouwd voor watersplitsing en waterstofproductie. Omdat het fotonen absorbeert over een relatief groot deel van het zonnespectrum, het presteert beter dan andere katalysatormaterialen die kleinere delen van het zonnespectrum absorberen.

Ondanks deze voordelen, hematiet heeft een zwakte:het kan geen fotonen in de buurt van het oppervlak absorberen, wat ertoe leidt dat veel van de foto-geëxciteerde dragers recombineren in plaats van deel te nemen aan chemische reacties om waterstof te produceren. Dit probleem treedt op als gevolg van een mismatch tussen de zeer korte (nanometerschaal) dragerdiffusielengte van hematiet in vergelijking met de absorptiediepte van licht (micrometerschaal nabij het oppervlak). Dus ook al zijn de fotonen aanwezig, ze kunnen niet effectief worden gebruikt.

Eerder onderzoek heeft geprobeerd dit probleem aan te pakken door metalen nanostructuren toe te voegen om de lichtabsorptie in het nabije oppervlak van de fotokatalysatoren te verbeteren. Echter, deze benadering lijdt aan intrinsieke optische verliezen in het metaal.

In de huidige studie, de onderzoekers hebben dit probleem van optisch verlies omzeild door de hematiet-fotokatalysatoren zelf te nanopatroonen. Dankzij de nanostructuren kan de fotokatalysator de nadelige mismatch tussen de dragerdiffusie- en fotonische absorptielengteschalen overwinnen, en herverdeel de fotonen naar het nabije oppervlak.

De voordelen van nanostructurering komen voort uit het feit dat het zonlicht optische resonanties in het hematiet aanstuurt, wat resulteert in een verbetering van zowel lichtabsorptie als lichtverstrooiing. Door de grootte te ontwerpen, vorm, spatiëring, en diëlektrische omgeving van de nanostructuren, de onderzoekers konden de resonantiegolflengten over het zonnespectrum optimaliseren en afstemmen.

Deze strategie van nanostructurering van een fotokatalysator zou kunnen worden uitgebreid naar andere fotokatalysatormaterialen. Aangezien nanopatroontechnieken steeds vaker worden gebruikt op veel verschillende gebieden, het is waarschijnlijk dat nanogestructureerde arrays goedkoop over grote gebieden kunnen worden gemaakt.

"Volgende, we gaan metamaterialenconcepten gebruiken in onze fotokatalysatormaterialen, "Zei Brongersma. "We zullen zien waar het ons brengt!"

© 2014 Fysio.org. Alle rechten voorbehouden.