Guld nanorods giver en helt ny måde at høste energi fra solen på

En ny metode til at høste solens energi er ved at dukke op, takket være forskere ved UC Santa Barbaras afdelinger for kemi, Kemiteknik, og materialer. Selvom det stadig er i sin vorden, forskningen lover at omdanne sollys til energi ved hjælp af en proces baseret på metaller, der er mere robuste end mange af de halvledere, der bruges i konventionelle metoder. Forskernes resultater er offentliggjort i det seneste nummer af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"Det er det første radikalt nye og potentielt brugbare alternativ til halvlederbaserede solkonverteringsenheder, der er blevet udviklet i de sidste 70 år eller deromkring, sagde Martin Moskovits, professor i kemi ved UCSB.

I konventionelle fotoprocesser, en teknologi udviklet og brugt i løbet af det sidste århundrede, sollys rammer overfladen af ​​halvledermateriale, hvoraf den ene side er elektronrig, mens den anden side ikke er det. Fotonen, eller let partikel, exciterer elektronerne, får dem til at forlade deres stilling, og skabe positivt ladede "huller". Resultatet er en strøm af ladede partikler, der kan fanges og leveres til forskellige formål, inklusive strømforsyning til pærer, opladning af batterier, eller lette kemiske reaktioner.

"For eksempel, elektronerne kan få brintioner i vand til at blive omdannet til brint, et brændstof, mens hullerne producerer ilt, sagde Moskovits.

I teknologien udviklet af Moskovits og hans team, det er ikke halvledermaterialer, der giver elektronerne og stedet for omdannelsen af ​​solenergi, men nanostrukturerede metaller - en "skov" af guld nanorods, for at være specifik.

Til dette eksperiment, guld nanorods blev dækket med et lag af krystallinsk titaniumdioxid dekoreret med platin nanopartikler, og sæt i vand. En cobalt-baseret oxidationskatalysator blev afsat på den nedre del af arrayet.

"Når nanostrukturer, såsom nanorods, af visse metaller udsættes for synligt lys, metallets ledningselektroner kan bringes til at oscillere kollektivt, absorberer meget af lyset, " sagde Moskovits. "Denne excitation kaldes en overfladeplasmon."

Da de "varme" elektroner i disse plasmoniske bølger exciteres af lyspartikler, nogle rejser op ad nanorod, gennem et filterlag af krystallinsk titaniumdioxid, og fanges af platinpartikler. Dette forårsager reaktionen, der spalter hydrogenioner fra bindingen, der danner vand. I mellemtiden hullerne efterladt af de exciterede elektroner går mod den koboltbaserede katalysator på den nederste del af stangen for at danne ilt.

Ifølge undersøgelsen brintproduktion var tydeligt observerbar efter ca. to timer. Derudover nanoroderne var ikke udsat for den fotokorrosion, der ofte får traditionelt halvledermateriale til at svigte på få minutter.

"Enheden fungerede uden antydning af fejl i mange uger, " sagde Moskovits.

Den plasmoniske metode til at spalte vand er i øjeblikket mindre effektiv og dyrere end konventionelle fotoprocesser, men hvis det sidste århundredes solcelleteknologi har vist noget, det er, at fortsat forskning vil forbedre omkostningerne og effektiviteten af ​​denne nye metode - og sandsynligvis på langt kortere tid, end det tog for den halvlederbaserede teknologi, sagde Moskovits.

"På trods af den seneste opdagelse, vi har allerede opnået "respektable" effektivitetsgevinster. Vigtigere, vi kan forestille os opnåelige strategier til radikal forbedring af effektiviteten, " han sagde.

Forskning i denne undersøgelse blev også udført af postdoktorale forskere Syed Mubeen og Joun Lee; grad studerende Nirala Singh; materialeingeniør Stephan Kraemer; og kemiprofessor Galen Stucky.