Nanostrukturer forbedrer lysindfangning til solbrændstofproduktion

(Phys.org)-Da verdens afhængighed af fossile brændstoffer forårsager stadig større problemer, forskere undersøger solbrændstoffer som en alternativ energikilde. For at lave solbrændstoffer, sollys omdannes til brint eller en anden form for kemisk energi. Sammenlignet med energi produceret af solceller, som konverterer sollys direkte til elektricitet, solbrændstoffer som brint har den fordel, at de er lettere at opbevare til senere brug.

På grund af den enorme mængde sollys, der når Jorden, solbrændstofgenerering har potentiale til at fungere som en ren, terawatt-skala global energikilde. Men for at dette kan ske, de fotokatalysatorer, der forbedrer lysabsorption og lysindfangning, skal forbedres, både med hensyn til højere ydelse og lavere omkostninger.

I en ny undersøgelse, forskere Soo Jin Kim, et al., på Geballe Laboratory for Advanced Materials i Stanford, Californien, har vist, at fotokatalysatorer fremstillet af jernoxid udviser betydelige præstationsforbedringer, når de er mønstret med nanostrukturer. Deres papir er offentliggjort i en nylig udgave af Nano bogstaver .

"Jeg tror, ​​at det mest betydningsfulde fremskridt er, at arbejdet vil give værdifulde retningslinjer for design af nye, nanostrukturerede fotokatalysatormaterialer, der effektivt kan absorbere lys og drive katalytiske reaktioner, "Professor Mark L. Brongersma ved Stanford fortalte Phys.org . "Forhåbentlig, det vil stimulere mere forskning om fotonhåndtering til fotokatalysatormaterialer. Brugen af ​​fotonadministrationer til solbrændstofproduktion halter stærkt bagud med hensyn til udvikling af fotonstyringsstrategier for solceller. "

Som forskerne forklarer, jernoxid i hæmatitfasen (Fe ₂ O ₃ ) er en jord-rigelig halvleder med en båndgap energi på 590 nm, som anses for at være tæt på optimal til vandspaltning og brintproduktion. Fordi det absorberer fotoner på tværs af en relativt stor del af solspektret, det overgår andre katalysatormaterialer, der absorberer mindre dele af solspektret.

På trods af disse fordele, hæmatit har en svaghed:den kan ikke absorbere fotoner nær overfladen, hvilket resulterer i, at mange af de fotoeksciterede bærere rekombinerer frem for at deltage i kemiske reaktioner for at producere brint. Dette problem opstår på grund af en uoverensstemmelse mellem hæmatitens meget korte (nanometer skala) bærerdiffusionslængde sammenlignet med lysets absorptionsdybde (mikrometer nær overfladen). Så selvom fotonerne er til stede, de kan ikke bruges effektivt.

Tidligere forskning har forsøgt at løse dette problem ved at tilføje metal-nanostrukturer for at øge lysabsorptionen i nær-overfladen af ​​fotokatalysatorerne. Imidlertid, denne fremgangsmåde lider af iboende optiske tab i metallet.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne har omgået dette problem med optisk tab ved nanopatring af hæmatitfotokatalysatorerne selv. Nanostrukturer gør det muligt for fotokatalysatoren at overvinde den skadelige uoverensstemmelse mellem bærerdiffusion og fotonisk absorptionslængde skalaer, og omfordel fotoner til området nær overfladen.

Fordelene ved nanostruktureringen skyldes, at det tillader sollys at drive optiske resonanser i hæmatitten, hvilket resulterer i en forbedring af både lysabsorption og lysspredning. Ved at konstruere størrelsen, form, afstand, og dielektrisk miljø i nanostrukturer, forskerne kunne optimere og indstille resonansbølgelængderne på tværs af solspektret.

Denne strategi for nanostrukturering af en fotokatalysator kan udvides til at omfatte andre fotokatalysator materialer. Da nanopatterningsteknikker fortsat bliver brugt oftere på mange forskellige områder, det er sandsynligt, at nanostrukturerede arrays kan laves billigt over store områder.

"Næste, vi kommer til at anvende metamaterialekoncepter i vores fotokatalysatormaterialer, "Sagde Brongersma." Vi får se, hvor det fører os hen! "

© 2014 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.