I ricercatori della Rice University hanno dimostrato un nuovo modo efficiente per catturare l'energia dalla luce solare e convertirla in energia pulita, energia rinnovabile scindendo le molecole d'acqua.

La tecnologia, che è descritto online nella rivista dell'American Chemical Society Nano lettere , si basa su una configurazione di nanoparticelle d'oro attivate dalla luce che raccolgono la luce solare e trasferiscono l'energia solare a elettroni altamente eccitati, che gli scienziati a volte chiamano "elettroni caldi".

"Gli elettroni caldi hanno il potenziale per guidare reazioni chimiche molto utili, ma decadono molto rapidamente, e le persone hanno lottato per sfruttare la loro energia, " ha detto il ricercatore capo Isabell Thomann, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e di chimica e scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. "Per esempio, la maggior parte delle perdite di energia nei migliori pannelli solari fotovoltaici di oggi sono il risultato di elettroni caldi che si raffreddano in pochi trilionesimi di secondo e rilasciano la loro energia come calore disperso".

Catturare questi elettroni ad alta energia prima che si raffreddino potrebbe consentire ai fornitori di energia solare di aumentare significativamente le loro efficienze di conversione da energia solare a elettrica e raggiungere l'obiettivo nazionale di ridurre il costo dell'elettricità solare.

Nelle nanoparticelle attivate dalla luce studiate da Thomann e colleghi del Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), la luce viene catturata e convertita in plasmoni, onde di elettroni che scorrono come un fluido sulla superficie metallica delle nanoparticelle. I plasmoni sono stati ad alta energia di breve durata, ma i ricercatori della Rice e altrove hanno trovato modi per catturare l'energia plasmonica e convertirla in calore o luce utili. Le nanoparticelle plasmoniche offrono anche uno dei mezzi più promettenti per sfruttare la potenza degli elettroni caldi, e i ricercatori LANP hanno compiuto progressi verso tale obiettivo in diversi studi recenti.

Thomann e il suo team, studenti laureati Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin e Chloe Doiron, ha creato un sistema che utilizza l'energia degli elettroni caldi per dividere le molecole d'acqua in ossigeno e idrogeno. Questo è importante perché l'ossigeno e l'idrogeno sono le materie prime per le celle a combustibile, dispositivi elettrochimici che producono elettricità in modo pulito ed efficiente.

Per usare gli elettroni caldi, La squadra di Thomann ha dovuto prima trovare un modo per separarli dai loro corrispondenti "buchi elettronici, "La bassa energia afferma che gli elettroni caldi si sono liberati quando hanno ricevuto la loro scossa plasmonica di energia. Uno dei motivi per cui gli elettroni caldi sono così di breve durata è che hanno una forte tendenza a rilasciare la loro nuova energia e tornare al loro stato di bassa energia. L'unico modo per evitare ciò è progettare un sistema in cui gli elettroni caldi e le lacune di elettroni vengono rapidamente separati l'uno dall'altro.Il modo standard per gli ingegneri elettrici di farlo è guidare gli elettroni caldi oltre una barriera energetica che agisce come valvola di modo. Thomann ha detto che questo approccio ha inefficienze intrinseche, ma è attraente per gli ingegneri perché utilizza una tecnologia ben nota chiamata barriere Schottky, un componente collaudato dell'ingegneria elettrica.

"A causa delle inefficienze intrinseche, volevamo trovare un nuovo approccio al problema, " ha detto Thomann. "Abbiamo adottato un approccio non convenzionale:piuttosto che allontanare gli elettroni caldi, abbiamo progettato un sistema per portare via i buchi di elettroni. In effetti, la nostra configurazione si comporta come un setaccio o una membrana. I fori possono passare attraverso, ma gli elettroni caldi non possono, quindi vengono lasciati disponibili sulla superficie delle nanoparticelle plasmoniche."

La configurazione presenta tre strati di materiali. Lo strato inferiore è un sottile foglio di alluminio lucido. Questo strato è ricoperto da un sottile strato di ossido di nichel trasparente, e sparsi in cima a questo c'è una raccolta di nanoparticelle d'oro plasmoniche, dischi a forma di disco di circa 10-30 nanometri di diametro.

Quando la luce del sole colpisce i dischi, direttamente o come riflesso dall'alluminio, i dischi convertono l'energia luminosa in elettroni caldi. L'alluminio attrae i fori di elettroni risultanti e l'ossido di nichel consente a questi di passare fungendo anche da barriera impermeabile agli elettroni caldi, che restano sull'oro. Stendendo il foglio di materiale in piano e coprendolo con acqua, i ricercatori hanno permesso alle nanoparticelle d'oro di agire come catalizzatori per la scissione dell'acqua. Nell'attuale ciclo di esperimenti, i ricercatori hanno misurato la fotocorrente disponibile per la scissione dell'acqua piuttosto che misurare direttamente i gas evoluti di idrogeno e ossigeno prodotti dalla scissione, ma Thomann ha detto che i risultati meritano ulteriori studi.

"Utilizzando tecnologie di scissione dell'acqua solare a elettroni caldi abbiamo misurato l'efficienza della fotocorrente che era alla pari con strutture notevolmente più complicate che utilizzano anche componenti più costosi, " Thomann ha detto. "Siamo fiduciosi di poter ottimizzare il nostro sistema per migliorare significativamente i risultati che abbiamo già visto."