Illustrazione di un fotoelettrodo di ematite costituito da un nanobeam-array periodico (rosso) su uno strato conduttivo ITO (blu scuro). La struttura a nanofascio aumenta l'assorbimento della luce solare all'interfaccia ematite/H2O, con conseguente conversione più efficiente della luce solare in combustibile solare. Credito:Soo Jin Kim, et al. ©2014 American Chemical Society
(Phys.org) — Poiché la dipendenza del mondo dai combustibili fossili causa problemi sempre crescenti, i ricercatori stanno studiando i combustibili solari come fonte di energia alternativa. Per produrre combustibili solari, la luce solare viene convertita in idrogeno o in un altro tipo di energia chimica. Rispetto all'energia prodotta dalle celle solari, che convertono la luce solare direttamente in elettricità, i combustibili solari come l'idrogeno hanno il vantaggio di essere più facili da immagazzinare per un uso successivo.
A causa dell'enorme quantità di luce solare che raggiunge la Terra, la generazione di combustibile solare ha il potenziale per servire come un pulito, fonte di energia globale su scala terawatt. Ma affinché ciò accada, i fotocatalizzatori che migliorano l'assorbimento della luce e l'intrappolamento della luce devono essere migliorati, sia in termini di prestazioni superiori che di costo inferiore.
In un nuovo studio, ricercatori Soo Jin Kim, et al., al Geballe Laboratory for Advanced Materials di Stanford, California, hanno dimostrato che i fotocatalizzatori realizzati con ossido di ferro mostrano miglioramenti sostanziali delle prestazioni quando sono modellati con nanostrutture. Il loro articolo è pubblicato in un recente numero di Nano lettere .
"Penso che il progresso più significativo sia che il lavoro fornirà preziose linee guida per la progettazione di nuovi, materiali fotocatalizzatori nanostrutturati in grado di assorbire efficacemente la luce e guidare reazioni catalitiche, " Ha detto il professor Mark L. Brongersma a Stanford Phys.org . "Auspicabilmente, stimolerà una maggiore ricerca sulla gestione dei fotoni per i materiali fotocatalizzatori. L'uso della gestione dei fotoni nella generazione di combustibile solare è in forte ritardo rispetto allo sviluppo di strategie di gestione dei fotoni per le celle solari".
Come spiegano i ricercatori, ossido di ferro in fase ematite (Fe 2 oh 3 ) è un semiconduttore abbondante sulla terra con un'energia bandgap di 590 nm, che è considerato quasi ottimale per la scissione dell'acqua e la produzione di idrogeno. Poiché assorbe fotoni su una porzione relativamente ampia dello spettro solare, supera altri materiali catalizzatori che assorbono porzioni più piccole dello spettro solare.
Nonostante questi vantaggi, l'ematite ha un punto debole:non può assorbire fotoni vicino alla sua superficie, il che si traduce in molti dei vettori fotoeccitati che si ricombinano piuttosto che partecipare a reazioni chimiche per produrre idrogeno. Questo problema si verifica a causa di una mancata corrispondenza tra la lunghezza di diffusione del vettore molto breve (scala nanometrica) dell'ematite rispetto alla profondità di assorbimento della luce (scala micrometrica vicino alla superficie). Quindi, anche se i fotoni sono presenti, non possono essere efficacemente utilizzati.
La ricerca precedente ha tentato di affrontare questo problema aggiungendo nanostrutture metalliche per migliorare l'assorbimento della luce nella regione vicina alla superficie dei fotocatalizzatori. Però, questo approccio soffre di perdite ottiche intrinseche nel metallo.
Nello studio attuale, i ricercatori hanno aggirato questo problema di perdita ottica nanopatterning gli stessi fotocatalizzatori di ematite. Le nanostrutture consentono al fotocatalizzatore di superare il dannoso disallineamento tra la diffusione del vettore e le scale di lunghezza dell'assorbimento fotonico, e ridistribuire i fotoni nella regione vicina alla superficie.
I vantaggi della nanostrutturazione derivano dal fatto che consente alla luce solare di guidare le risonanze ottiche nell'ematite, con conseguente miglioramento sia dell'assorbimento della luce che della diffusione della luce. Ingegnerizzando le dimensioni, forma, spaziatura, e ambiente dielettrico delle nanostrutture, i ricercatori potrebbero ottimizzare e sintonizzare le lunghezze d'onda di risonanza in tutto lo spettro solare.
Questa strategia di nanostrutturazione di un fotocatalizzatore potrebbe essere estesa ad altri materiali fotocatalizzatori. Poiché le tecniche di nanopattering continuano ad essere utilizzate più spesso in molte aree diverse, è probabile che gli array nanostrutturati possano essere realizzati a buon mercato su vaste aree.
"Prossimo, utilizzeremo concetti di metamateriali nei nostri materiali fotocatalizzatori, " disse Brongersma. "Vedremo dove ci porterà!"
© 2014 Phys.org. Tutti i diritti riservati.
