Team demonstrerer solvandsspaltningsteknologi

Rice University forskere har demonstreret en effektiv ny måde at fange energien fra sollys og omdanne den til ren, vedvarende energi ved at spalte vandmolekyler.

Teknologien, som er beskrevet online i American Chemical Society journal Nano bogstaver , er afhængig af en konfiguration af lysaktiverede guldnanopartikler, der høster sollys og overfører solenergi til stærkt ophidsede elektroner, som forskere undertiden omtaler som "varme elektroner."

"Varme elektroner har potentialet til at drive meget nyttige kemiske reaktioner, men de henfalder meget hurtigt, og folk har kæmpet for at udnytte deres energi, " sagde ledende forsker Isabell Thomann, assisterende professor i elektro- og computerteknik og i kemi og materialevidenskab og nanoteknik på Rice. "For eksempel, de fleste af energitabene i nutidens bedste solcellepaneler er resultatet af varme elektroner, der afkøles inden for et par billiontedele af et sekund og frigiver deres energi som spildvarme."

Indfangning af disse højenergielektroner, før de afkøles, kan give solenergiudbydere mulighed for at øge deres sol-til-elektriske strømkonverteringseffektivitet betydeligt og opfylde et nationalt mål om at reducere omkostningerne til solenergi.

I de lysaktiverede nanopartikler studeret af Thomann og kolleger ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), lys fanges og omdannes til plasmoner, bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over metaloverfladen af ​​nanopartiklerne. Plasmoner er højenergitilstande, der er kortvarige, men forskere hos Rice og andre steder har fundet måder at fange plasmonisk energi og omdanne den til nyttig varme eller lys. Plasmoniske nanopartikler tilbyder også et af de mest lovende midler til at udnytte kraften fra varme elektroner, og LANP-forskere har gjort fremskridt mod dette mål i flere nyere undersøgelser.

Thomann og hendes team, kandidatstuderende Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin og Chloe Doiron, skabt et system, der bruger energien fra varme elektroner til at opdele vandmolekyler til ilt og brint. Det er vigtigt, fordi ilt og brint er råmaterialerne til brændselsceller, elektrokemiske enheder, der producerer elektricitet rent og effektivt.

For at bruge de varme elektroner, Thomanns team skulle først finde en måde at adskille dem fra deres tilsvarende "elektronhuller, " lavenergistaterne, at de varme elektroner forsvandt, da de modtog deres plasmoniske stød af energi. En grund til, at varme elektroner er så kortlivede er, at de har en stærk tendens til at frigive deres nyfundne energi og vende tilbage til deres lavenergitilstand. Den eneste måde at undgå dette på er at konstruere et system, hvor de varme elektroner og elektronhuller hurtigt adskilles fra hinanden. Standardmåden for elektriske ingeniører at gøre dette på er at drive de varme elektroner over en energibarriere, der fungerer som en en- vejventil. Thomann sagde, at denne tilgang har iboende ineffektivitet, men det er attraktivt for ingeniører, fordi det bruger velforstået teknologi kaldet Schottky-barrierer, en gennemprøvet del af elektroteknik.

"På grund af den iboende ineffektivitet, vi ønskede at finde en ny tilgang til problemet, " sagde Thomann. "Vi tog en ukonventionel tilgang:I stedet for at drive de varme elektroner væk, vi designede et system til at transportere elektronhullerne væk. Træde i kræft, vores setup fungerer som en si eller en membran. Hullerne kan passere igennem, men de varme elektroner kan ikke, så de efterlades tilgængelige på overfladen af ​​de plasmoniske nanopartikler."

Opsætningen består af tre lag af materialer. Det nederste lag er en tynd plade af skinnende aluminium. Dette lag er dækket af et tyndt lag af gennemsigtigt nikkeloxid, og spredt oven på dette er en samling af plasmoniske guld-nanopartikler-puckformede diske med en diameter på mellem 10 og 30 nanometer.

Når sollys rammer skiverne, enten direkte eller som en refleksion fra aluminiumet, skiverne omdanner lysenergien til varme elektroner. Aluminiumet tiltrækker de resulterende elektronhuller, og nikkeloxidet lader disse passere, mens det også fungerer som en uigennemtrængelig barriere for de varme elektroner, som bliver på guld. Ved at lægge materialet fladt og dække det med vand, forskerne lod guldnanopartiklerne fungere som katalysatorer for vandspaltning. I den nuværende forsøgsrunde, forskerne målte den fotostrøm, der var tilgængelig for vandspaltning i stedet for direkte at måle de udviklede brint- og oxygengasser, der blev produceret ved spaltning, men Thomann sagde, at resultaterne berettiger yderligere undersøgelse.

"Ved hjælp af varmeelektroners vandopdelingsteknologier målte vi fotostrømseffektiviteter, der var på niveau med betydeligt mere komplicerede strukturer, der også bruger dyrere komponenter, "Thomann sagde." Vi er overbeviste om, at vi kan optimere vores system til væsentligt at forbedre de resultater, vi allerede har set. "