Los investigadores de la Universidad de Rice han demostrado una nueva forma eficiente de capturar la energía de la luz solar y convertirla en energía limpia y renovable al dividir las moléculas de agua.
La tecnología, que se describe en línea en la revista American Chemical Society Nano letras , se basa en una configuración de nanopartículas de oro activadas por la luz que captan la luz solar y transfieren energía solar a electrones altamente excitados, que los científicos a veces denominan "electrones calientes"
"Los electrones calientes tienen el potencial de generar reacciones químicas muy útiles, pero se descomponen muy rápidamente y las personas han luchado por aprovechar su energía", dijo el investigador principal Isabell Thomann, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y de química y ciencia de los materiales.y nanoingeniería en Rice. "Por ejemplo, la mayoría de las pérdidas de energía en los mejores paneles solares fotovoltaicos actuales son el resultado de electrones calientes que se enfrían en unas pocas billonésimas de segundo y liberan su energía como calor desperdiciado".
Capturar estos electrones de alta energía antes de que se enfríen podría permitir a los proveedores de energía solar aumentar significativamente su eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica y cumplir con el objetivo nacional de reducir el costo de la electricidad solar.
En las nanopartículas activadas por la luz estudiadas por Thomann y sus colegas en el Laboratorio de Nanofotónica de Rice LANP, la luz se captura y se convierte en plasmones, ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de la superficie metálica de las nanopartículas.estados de energía que son de corta duración, pero los investigadores de Rice y otros lugares han encontrado formas de capturar energía plasmónica y convertirla en calor o luz útil. Las nanopartículas plasmónicas también ofrecen uno de los medios más prometedores para aprovechar el poder de los electrones calientes, y LANPLos investigadores han progresado hacia ese objetivo en varios estudios recientes.
Thomann y su equipo, los estudiantes de posgrado Hossein Robatjazi, Shah Mohammad Bahauddin y Chloe Doiron, crearon un sistema que utiliza la energía de los electrones calientes para dividir las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Eso es importante porque el oxígeno y el hidrógeno son la materia prima del combustiblecélulas, dispositivos electroquímicos que producen electricidad de manera limpia y eficiente.
Para usar los electrones calientes, el equipo de Thomann primero tuvo que encontrar una manera de separarlos de sus "agujeros de electrones" correspondientes, los estados de baja energía que los electrones calientes se desalojaron cuando recibieron su sacudida plasmónica de energía. Una razón por la cual los electrones calientesson tan efímeras que tienen una fuerte tendencia a liberar su nueva energía y volver a su estado de baja energía. La única forma de evitar esto es diseñar un sistema donde los electrones calientes y los agujeros de electrones se separen rápidamente entre síLa forma estándar para que los ingenieros eléctricos hagan esto es conducir los electrones calientes sobre una barrera de energía que actúa como una válvula unidireccional. Thomann dijo que este enfoque tiene ineficiencias inherentes, pero es atractivo para los ingenieros porque utiliza tecnología bien entendidallamadas barreras de Schottky, un componente probado y verdadero de la ingeniería eléctrica.
"Debido a las ineficiencias inherentes, queríamos encontrar un nuevo enfoque para el problema", dijo Thomann. "Tomamos un enfoque poco convencional: en lugar de expulsar los electrones calientes, diseñamos un sistema para eliminar los agujeros de electrones".En efecto, nuestra configuración actúa como un tamiz o una membrana. Los agujeros pueden pasar, pero los electrones calientes no pueden, por lo que quedan disponibles en la superficie de las nanopartículas plasmónicas ".
La configuración presenta tres capas de materiales. La capa inferior es una delgada lámina de aluminio brillante. Esta capa está cubierta con una fina capa de óxido de níquel transparente, y dispersa encima de esta es una colección de nanopartículas de oro plasmónicas - discodiscos en forma de aproximadamente 10 a 30 nanómetros de diámetro.
Cuando la luz del sol golpea los discos, ya sea directamente o como un reflejo del aluminio, los discos convierten la energía de la luz en electrones calientes. El aluminio atrae los agujeros de electrones resultantes y el óxido de níquel permite que pasen mientras actúa como una barrera impermeable.a los electrones calientes, que permanecen en el oro. Al colocar la lámina de material plana y cubrirla con agua, los investigadores permitieron que las nanopartículas de oro actuaran como catalizadores para la división del agua. En la ronda actual de experimentos, los investigadores midieron la fotocorriente disponiblepara la división del agua en lugar de medir directamente los gases de hidrógeno y oxígeno desprendidos producidos por la división, pero Thomann dijo que los resultados justifican un mayor estudio.
"Utilizando tecnologías de división de agua solar con electrones calientes, medimos eficiencias de fotocorriente que estaban a la par con estructuras considerablemente más complicadas que también usan componentes más caros", dijo Thomann. "Estamos seguros de que podemos optimizar nuestro sistema para mejorar significativamenteresultados que ya hemos visto "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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