Penetratie van nanokristallen transformeert de conversie van infrarood licht

Systematische dotering van koper verbetert de volledige benutting van zonne-energie in wolfraam zuur Nanokristallen.

Zonlicht is een onuitputtelijke energiebron en het gebruik van zonlicht om elektriciteit op te wekken is een van de hoekstenen van hernieuwbare energie. Meer dan 40% van het zonlicht dat op aarde valt, valt in het infrarode, zichtbare en ultraviolette spectrum; De huidige zonnetechnologie maakt echter voornamelijk gebruik van zichtbare en ultraviolette straling. De technologie voor het benutten van het volledige spectrum van zonnestraling – pan-solar-harnasing genoemd – staat nog in de kinderschoenen.

Onderzoeksresultaten van de Universiteit van Hokkaido

Een team van onderzoekers van Universiteit van HokkaidoEen team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Milbert Geim en professor Seiichi Watanabe van de School of Engineering heeft met koper gedoteerde op wolfraamzuur gebaseerde materialen gesynthetiseerd die het volledige gebruik van zonne-energie hebben aangetoond. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.

“Momenteel worden de nabij- en midden-infraroodspectra van zonnestraling, die variëren van 800 nm tot 2500 nm, niet gebruikt voor energieopwekking”, legt Jim uit. “Wolfraamzuur is een kandidaat voor de ontwikkeling van nanomaterialen die van dit spectrum kunnen profiteren, omdat het een kristalstructuur heeft met defecten die deze golflengten absorberen.”

De samenvattende relatieve lichtabsorptie van wolfraamzuurkristallen varieert van ultraviolet tot infrarood. 1, 5 en 10 zijn de Cu-concentraties die leiden tot de optische kriticiteit van de nanokristallen. Krediet: Milbert Jim, et al. Geavanceerde materialen. 29 juli 2023

Methodologie en resultaten

De wetenschappers gebruikten een fotofabricagetechniek die ze eerder hadden ontwikkeld, ondergedompelde kristalfotosynthese, om wolfraamzuurnanokristallen te vervaardigen die waren geïmpregneerd met verschillende concentraties koper. De structuren en lichtabsorptie-eigenschappen van deze nanokristallen werden geanalyseerd; Hun fotothermische, foto-ondersteunde waterverdamping en foto-elektrochemische eigenschappen werden gemeten.

Met koper beklede nanokristallen van wolfraamoxide absorberen licht over het hele spectrum, van ultraviolet tot zichtbaar licht tot infrarood; De hoeveelheid geabsorbeerd infraroodlicht was groter bij 1% koperdotering. 1% en 5% Cu-gecoate nanokristallen vertoonden de hoogste temperatuurstijging (fotothermische eigenschap); De met 1% koper beklede kristallen vertoonden ook de hoogste waterverdampingsefficiëntie, namelijk ongeveer 1,0 kg per vierkante meter per uur. Structurele analyse van 1% met koper beklede nanokristallen gaf aan dat koperionen de kristallijne structuur van wolfraamoxide kunnen vervormen, wat resulteert in de waargenomen lichtabsorberende eigenschappen.

Slotopmerkingen

“Onze ontdekkingen vertegenwoordigen een grote vooruitgang in de vooruitgang in het ontwerp van nanokristallen die in staat zijn zonne-energie volledig te produceren en te benutten”, besluit Watanabe. “We hebben aangetoond dat koperdotering wolfraamzure nanokristallen een verscheidenheid aan eigenschappen geeft door volledig gebruik te maken van zonne-energie. Dit biedt een raamwerk voor verder onderzoek op dit gebied en voor de ontwikkeling van toepassingen.”

Referentie: “Defectvrije optische kritische trappen afgestemd om zonne-energie volledig te benutten” door Milbert Jim, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang en Seiichi Watanabe, 29 juli 2023, Geavanceerde materialen.
doi: 10.1002/adma.202305494

Dit werk werd ondersteund door de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Dit werk werd gedeeltelijk gedaan door een supersnel computersysteem in het Information Initiative Center van de Universiteit van Hokkaido. Dit werk werd uitgevoerd aan de Hokkaido Universiteit, met steun van de Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology of Japan (ARIM) van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (MEXT).