Het zonlicht dat door de aarde wordt ontvangen, is een allegaartje van golflengten, variërend van ultraviolet tot zichtbaar tot infrarood. Elke golflengte draagt ​​inherente energie met zich mee die, indien effectief benut, een groot potentieel heeft om de productie van waterstof op zonne-energie te vergemakkelijken en de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare energiebronnen te verminderen. Desalniettemin worden de bestaande technologieën voor de productie van waterstof op zonne-energie geconfronteerd met beperkingen bij het absorberen van licht over dit brede spectrum, waarbij ze er vooral niet in slagen het potentieel van nabij-infrarood (NIR) lichtenergie die de aarde bereikt te benutten.

Uit recent onderzoek is gebleken dat zowel Au als Cu₇ S₄ nanostructuren vertonen een onderscheidend optisch kenmerk dat bekend staat als gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR).

Het kan nauwkeurig worden aangepast om golflengten te absorberen die het zichtbare tot NIR-spectrum bestrijken. Een team van onderzoekers, onder leiding van universitair hoofddocent Tso-Fu Mark Chang en docent Chun-Yi Chen van het Tokyo Institute of Technology, en professor Yung-Jung Hsu van de Nationale Yang Ming Chiao Tung Universiteit, greep deze mogelijkheid aan en ontwikkelde een innovatieve Au@ Cu₇ S₄ yolk@shell nanokristal dat waterstof kan produceren bij blootstelling aan zowel zichtbaar licht als NIR-licht.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications .

"We realiseerden ons dat de waterstofproductie met een breed spectrum de afgelopen dagen aan kracht wint als potentiële groene energiebron. Tegelijkertijd zagen we dat er momenteel niet veel opties beschikbaar zijn voor fotokatalysatoren die kunnen reageren op NIR-bestraling", zegt hij. Dr. Hsu en Dr. Chang. "Dus besloten we er een te creëren door twee veelbelovende nanostructuren te combineren, namelijk Au en Cu₇ S₄ , met op maat gemaakte LSPR-functies."

Het onderzoeksteam maakte gebruik van een ionenuitwisselingsreactie voor de synthese van Au@Cu₇ S₄ nanokristallen, die vervolgens werden geanalyseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie, röntgenabsorptiespectroscopie en transiënte absorptiespectroscopie om de structurele en optische eigenschappen te onderzoeken.

Deze onderzoeken bevestigden dat Au@Cu₇ S₄ beschikt over een nanostructuur met dubbele plasmonische optische eigenschappen. Bovendien onthulden ultrasnelle spectroscopiegegevens dat Au@Cu₇ S₄ behoudt een langlevende ladingsscheidingstoestand bij blootstelling aan zowel zichtbaar licht als NIR-licht, wat het potentieel voor efficiënte conversie van zonne-energie benadrukt.

Het onderzoeksteam ontdekte dat de yolk@shell-nanostructuren inherent zijn aan de Au@Cu₇ S₄ nanokristallen verbeterden met name hun fotokatalytische capaciteiten.

"De besloten ruimte binnen de holle schaal verbeterde de moleculaire diffusiekinetiek, waardoor de interacties tussen reactieve soorten werden vergroot. Bovendien speelde de mobiliteit van de dooierdeeltjes een cruciale rol bij het tot stand brengen van een homogene reactieomgeving, omdat ze in staat waren de reactieoplossing effectief te roeren. ”, legt Dr. Chen uit.

Bijgevolg bereikte deze innovatieve fotokatalysator een piekkwantumopbrengst van 9,4% in het zichtbare bereik (500 nm) en een recordbrekende kwantumopbrengst van 7,3% in het NIR-bereik (2200 nm) voor waterstofproductie. Opvallend genoeg elimineert deze nieuwe aanpak, in tegenstelling tot conventionele fotokatalytische systemen, de noodzaak van co-katalysatoren om de waterstofproductiereacties te verbeteren.

Over het geheel genomen introduceert de studie een duurzaam fotokatalytisch platform voor de opwekking van zonnebrandstof dat beschikt over opmerkelijke waterstofproductiemogelijkheden en gevoeligheid voor een breed spectrum van licht. Het toont het potentieel van het benutten van de LSPR-eigenschappen van Au en Cu₇ S₄ voor de effectieve opvang van voorheen onaangeboorde NIR-energie.

"We zijn optimistisch dat onze bevindingen verder onderzoek zullen motiveren naar het aanpassen van de LSPR-eigenschappen van zelfgedoteerde, niet-stoichiometrische halfgeleiders, met als doel fotokatalysatoren te creëren die over een breed spectrum reageren voor een verscheidenheid aan toepassingen op zonne-energie", concluderen Dr. Hsu en Dr. Wijzig.

Meer informatie: Chun-Wen Tsao et al, Dual-plasmonische Au@Cu7S4 yolk@shell nanokristallen voor fotokatalytische waterstofproductie in het zichtbare tot nabij-infrarode spectrale gebied, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44664-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology