Nanokrystaller sætter ny aktivitetsrekord for brintproduktion under synlig og nær-infrarød bestråling

Sollyset modtaget af Jorden er en blandet pose af bølgelængder, der spænder fra ultraviolet til synligt til infrarødt. Hver bølgelængde bærer iboende energi, der, hvis den udnyttes effektivt, rummer et stort potentiale til at lette produktionen af ​​solbrint og mindske afhængigheden af ​​ikke-vedvarende energikilder. Ikke desto mindre står eksisterende teknologier til solbrintproduktion over for begrænsninger med hensyn til at absorbere lys over dette brede spektrum, idet de især ikke udnytter potentialet i nær infrarød (NIR) lysenergi, der når Jorden.

Nyere forskning har identificeret, at både Au og Cu₇ S₄ nanostrukturer udviser en karakteristisk optisk karakteristik kendt som lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR).

Den kan justeres præcist til at absorbere bølgelængder, der spænder over det synlige til NIR-spektret. Et team af forskere, ledet af lektor Tso-Fu Mark Chang og lektor Chun-Yi Chen fra Tokyo Institute of Technology, og professor Yung-Jung Hsu fra National Yang Ming Chiao Tung University, greb denne mulighed og udviklede en innovativ Au@ Cu₇ S₄ yolk@shell nanokrystal, der er i stand til at producere brint, når det udsættes for både synligt og NIR-lys.

Deres resultater er offentliggjort i Nature Communications .

"Vi indså, at bredspektret drevet brintproduktion tager fart i de seneste dage som en potentiel grøn energikilde. Samtidig så vi, at der ikke var mange tilgængelige muligheder for fotokatalysatorer, der kunne reagere på NIR-bestråling," siger Dr. Hsu og Dr. Chang. "Så vi besluttede at skabe en ved at kombinere to lovende nanostrukturer, nemlig Au og Cu₇ S₄ , med skræddersyede LSPR-funktioner."

Forskerholdet brugte en ionbytterreaktion til syntesen af ​​Au@Cu₇ S₄ nanokrystaller, som efterfølgende blev analyseret ved hjælp af højopløsnings-transmissionselektronmikroskopi, røntgenabsorptionsspektroskopi og transient absorptionsspektroskopi for at undersøge de strukturelle og optiske egenskaber.

Disse undersøgelser bekræftede, at Au@Cu₇ S₄ har en yolk@shell nanostruktur udstyret med dobbeltplasmoniske optiske egenskaber. Ydermere afslørede ultrahurtige spektroskopidata, at Au@Cu₇ S₄ opretholdt langlivede ladningsadskillelsestilstande, når de udsættes for både synligt lys og NIR-lys, hvilket fremhæver dets potentiale for effektiv solenergikonvertering.

Forskerholdet opdagede, at yolk@shell nanostrukturerne iboende til Au@Cu₇ S₄ nanokrystaller forbedrede især deres fotokatalytiske evner.

"Det begrænsede rum i den hule skal forbedrede den molekylære diffusionskinetik og øgede derved interaktionerne mellem reaktive arter. Derudover spillede blommepartiklernes mobilitet en afgørende rolle i etableringen af ​​et homogent reaktionsmiljø, da de var i stand til at agitere reaktionsopløsningen effektivt. ," forklarer Dr. Chen.

Som følge heraf nåede denne innovative fotokatalysator et maksimalt kvanteudbytte på 9,4 % i det synlige område (500 nm) og opnåede et rekordstort kvanteudbytte på 7,3 % i NIR-området (2200 nm) til brintproduktion. I modsætning til konventionelle fotokatalytiske systemer eliminerer denne nye tilgang behovet for co-katalysatorer til at forbedre hydrogenproduktionsreaktioner.

Samlet set introducerer undersøgelsen en bæredygtig fotokatalytisk platform til generering af solbrændstof, der kan prale af bemærkelsesværdige brintproduktionsevner og følsomhed over for et bredt lysspektrum. Det viser potentialet i at udnytte LSPR-egenskaberne for Au og Cu₇ S₄ til effektiv indfangning af tidligere uudnyttet NIR-energi.

"Vi er optimistiske med hensyn til, at vores resultater vil motivere yderligere undersøgelser af justering af LSPR-egenskaberne af selvdopede, ikke-støkiometriske halvledere, med det formål at skabe fotokatalysatorer, der reagerer over et bredt spektrum til en række solcelledrevne applikationer," konkluderer Dr. Hsu og Dr. Chang.

Flere oplysninger: Chun-Wen Tsao et al., Dual-plasmonic Au@Cu7S4 yolk@shell nanokrystaller til fotokatalytisk brintproduktion på tværs af synlig til nær infrarød spektral region, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44664-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Tokyo Institute of Technology