Tredobling af effektiviteten af ​​solbaseret brintbrændstofproduktion med metalliske nanostrukturer, der bremser lyset

Hydrogengas, et vigtigt syntetisk råmateriale, er klar til at spille en nøglerolle inden for vedvarende energiteknologi; imidlertid, dens legitimationsoplysninger undermineres, fordi det meste i øjeblikket stammer fra fossile brændstoffer, såsom naturgas. Et KAUST-hold har nu fundet en mere bæredygtig vej til produktion af brintbrændstof ved hjælp af kaotisk, lysfangende materialer, der efterligner naturlig fotosyntetisk vandspaltning.

De komplekse enzymer inde i planter er upraktiske at fremstille, så forskere har udviklet fotokatalysatorer, der anvender højenergi, varme elektroner til at spalte vandmolekyler i hydrogen og iltgas. For nylig, nanostrukturerede metaller, der omdanner solelektroner til intense, bølgelignende plasmonresonanser har tiltrukket interesse for brintproduktion. Højhastighedsmetalplasmonerne hjælper med at overføre bærere til katalytiske steder, før de slapper af og reducerer den katalytiske effektivitet.

At få metalnanopartikler til at reagere på hele bredbåndsspektret af synligt lys er udfordrende. "Plasmoniske systemer har specifikke geometrier, der kun fanger lys ved karakteristiske frekvenser, " forklarer Andrea Fratalocchi, der ledede forskningen. "Nogle tilgange forsøger at kombinere flere nanostrukturer for at opsuge flere farver, men disse absorptioner finder sted på forskellige rumlige steder, så solens energi høstes ikke særlig effektivt."

Fratalocchi og hans team udtænkte en ny strategi ved hjælp af metal nanostrukturer kendt som epsilon-near-zero (ENZ) metamaterialer, der vokser tilfældigt, fraktalnåle, der ligner et lille fyrretræ. Inde i hulrummene dannet af de fremspringende metalgrene, lysets udbredelse bremses til næsten stilstand. Dette gør det muligt for ENZ-stoffet at presse alle synlige lysfarver til de samme steder i nanometerskala.

Imidlertid, optimering af ENZ -materialet til brintproduktion viste sig at være en langvarig proces på flere måneder. Ikke alle nålelignende strukturer fungerer på samme måde, hvilket betød, at holdet skulle finjustere alle fremstillingsparametre for at finde den korrekte lidelse for effektive reaktioner. Derefter, at vælge halvledende titaniumdioxid som et substrat til at opsamle varme elektroner krævede krystaller med ekstrem høj renhed. Endelig, koncentrationen og positionen af ​​platinnanopartikler, der bruges til at katalytisk spalte vandmolekyler, skulle kontrolleres præcist, aflejringer, der er vanskelige med ENZ's komplekse geometri.

Resultatet var udholdenheden værd:eksperimenter afslørede, at ENZ-fotokatalysatoren brugte bredbåndslys til at generere varme bærere inden for et smalt 10-nm grænsefladeområde for en samlet 300% gevinst i effektivitet.

"På grund af muligheden for at kontrollere deres absorption, ENZ nanostrukturerne er ideelle kandidater til høst af solenergi, " siger Fratalocchi. "Vi har for nylig konstrueret en industriel prototype med imponerende effektivitet, hvilket gør os meget optimistiske med hensyn til de fremtidige muligheder for denne teknologi."