Onderzoekers van de Rice University hebben een efficiënte nieuwe manier aangetoond om de energie uit zonlicht op te vangen en om te zetten in schone, hernieuwbare energie door watermoleculen te splitsen.

De technologie, die online wordt beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters , vertrouwt op een configuratie van door licht geactiveerde gouden nanodeeltjes die zonlicht opvangen en zonne-energie overdragen aan zeer geëxciteerde elektronen, die wetenschappers soms 'hete elektronen' noemen.

"Hete elektronen hebben het potentieel om zeer nuttige chemische reacties op gang te brengen, maar ze vergaan zeer snel, en mensen hebben geworsteld om hun energie te benutten, " zei hoofdonderzoeker Isabell Thomann, assistent-professor elektrische en computertechniek en scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice. "Bijvoorbeeld, de meeste energieverliezen in de beste fotovoltaïsche zonnepanelen van vandaag zijn het resultaat van hete elektronen die binnen een paar biljoensten van een seconde afkoelen en hun energie als verspilde warmte vrijgeven."

Door deze hoogenergetische elektronen vast te leggen voordat ze afkoelen, kunnen leveranciers van zonne-energie hun efficiëntie van de omzetting van zonne-energie naar elektriciteit aanzienlijk verhogen en een nationaal doel bereiken om de kosten van zonne-elektriciteit te verlagen.

In de door licht geactiveerde nanodeeltjes bestudeerd door Thomann en collega's van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), licht wordt opgevangen en omgezet in plasmonen, golven van elektronen die als een vloeistof over het metalen oppervlak van de nanodeeltjes stromen. Plasmonen zijn hoogenergetische toestanden die van korte duur zijn, maar onderzoekers van Rice en elders hebben manieren gevonden om plasmonische energie op te vangen en om te zetten in bruikbare warmte of licht. Plasmonische nanodeeltjes bieden ook een van de meest veelbelovende manieren om de kracht van hete elektronen te benutten, en LANP-onderzoekers hebben in verschillende recente onderzoeken vooruitgang geboekt in de richting van dat doel.

Thomann en haar team, afgestudeerde studenten Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin en Chloe Doiron, creëerde een systeem dat de energie van hete elektronen gebruikt om watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof. Dat is belangrijk omdat zuurstof en waterstof de grondstoffen zijn voor brandstofcellen, elektrochemische apparaten die elektriciteit schoon en efficiënt produceren.

Om de hete elektronen te gebruiken, Het team van Thomann moest eerst een manier vinden om ze te scheiden van hun corresponderende "elektronengaten, "De lage-energie stelt dat de hete elektronen vrijkwamen toen ze hun plasmonische schok van energie ontvingen. Een reden waarom hete elektronen zo kort leven, is dat ze een sterke neiging hebben om hun nieuwe energie vrij te geven en terug te keren naar hun lage energietoestand. De enige manier om dit te voorkomen, is door een systeem te ontwikkelen waarin de hete elektronen en elektronengaten snel van elkaar worden gescheiden.De standaardmanier voor elektrotechnici om dit te doen, is door de hete elektronen over een energiebarrière te drijven die werkt als een een- Thomann zei dat deze aanpak inherente inefficiënties heeft, maar het is aantrekkelijk voor ingenieurs omdat het gebruik maakt van goed begrepen technologie genaamd Schottky-barrières, een beproefd onderdeel van de elektrotechniek.

"Vanwege de inherente inefficiënties, we wilden een nieuwe benadering van het probleem vinden, Thomann zei. "We kozen voor een onconventionele aanpak:in plaats van de hete elektronen te verdrijven, we ontwierpen een systeem om de elektronengaten weg te voeren. In werkelijkheid, onze opstelling werkt als een zeef of een membraan. De gaten kunnen door, maar de hete elektronen kunnen dat niet, dus ze blijven beschikbaar op het oppervlak van de plasmonische nanodeeltjes."

De opstelling bestaat uit drie lagen materialen. De onderste laag is een dunne plaat van glanzend aluminium. Deze laag is bedekt met een dunne laag transparant nikkeloxide, en daarbovenop verspreid is een verzameling plasmonische gouden nanodeeltjes - puckvormige schijven met een diameter van ongeveer 10 tot 30 nanometer.

Wanneer zonlicht de schijven raakt, hetzij direct, hetzij als een reflectie van het aluminium, de schijven zetten de lichtenergie om in hete elektronen. Het aluminium trekt de resulterende elektronengaten aan en het nikkeloxide laat deze door terwijl het ook als een ondoordringbare barrière voor de hete elektronen fungeert. die op goud blijven. Door het vel materiaal plat te leggen en met water te bedekken, de onderzoekers lieten de gouden nanodeeltjes fungeren als katalysatoren voor het splitsen van water. In de huidige ronde van experimenten, de onderzoekers maten de fotostroom die beschikbaar is voor het splitsen van water in plaats van direct de vrijgekomen waterstof- en zuurstofgassen te meten die door het splitsen worden geproduceerd, maar Thomann zei dat de resultaten verder onderzoek rechtvaardigen.

"Door gebruik te maken van hete-elektronen-solaire watersplitsingstechnologieën hebben we de efficiëntie van de fotostroom gemeten die vergelijkbaar was met aanzienlijk gecompliceerdere structuren die ook duurdere componenten gebruiken, "Zei Thomann. "We zijn ervan overtuigd dat we ons systeem kunnen optimaliseren om de resultaten die we al hebben gezien aanzienlijk te verbeteren."