La penetrazione dei nanocristalli trasforma la conversione della luce infrarossa

(Sinistra) Nanocristallo di acido tungstico rivestito di Cu; (A destra) Immagine a risoluzione atomica del nanocristallo. Credito: Milbert Jim

Il drogaggio sistematico del rame migliora il pieno utilizzo dell’energia solare nel tungsteno acido Nanocristalli.

La luce solare è una fonte inesauribile di energia e l’utilizzo della luce solare per generare elettricità è uno dei pilastri dell’energia rinnovabile. Più del 40% della luce solare che cade sulla Terra rientra negli spettri infrarosso, visibile e ultravioletto; Tuttavia, l’attuale tecnologia solare utilizza principalmente i raggi visibili e ultravioletti. La tecnologia per sfruttare l’intero spettro della radiazione solare – chiamata utilizzo pansolare – è ancora agli inizi.

Risultati della ricerca dell’Università di Hokkaido

Un team di ricercatori di Università dell’HokkaidoUn team di ricercatori guidato dal professore associato Milbert Geim e dal professor Seiichi Watanabe della Facoltà di Ingegneria ha sintetizzato materiali a base di acido tungstico drogato con rame che hanno dimostrato il pieno utilizzo dell’energia solare. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Materiale avanzato.

“Attualmente, gli spettri del vicino e medio infrarosso della radiazione solare, che vanno da 800 nm a 2.500 nm, non vengono utilizzati per la produzione di energia”, spiega Jim. “L’acido tungstico è un candidato per lo sviluppo di nanomateriali che possano trarre vantaggio da questo spettro, perché ha una struttura cristallina con difetti che assorbono queste lunghezze d’onda”.

Assorbimento relativo della luce dei nanocristalli di acido tungstico

L’assorbimento relativo della luce dei cristalli di acido tungstico varia dall’ultravioletto all’infrarosso. 1, 5 e 10 sono le concentrazioni di Cu che portano alla criticità ottica dei nanocristalli. Credito: Milbert Jim, et al. Materiale avanzato. 29 luglio 2023

Metodologia e risultati

Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica di fotosintesi che avevano sviluppato in precedenza, la fotosintesi dei cristalli sommersi, per fabbricare nanocristalli di acido tungstico impregnati con diverse concentrazioni di rame. Sono state analizzate le strutture e le proprietà di assorbimento della luce di questi nanocristalli; Sono state misurate le loro proprietà fototermiche, di evaporazione dell’acqua fotoassistita e fotoelettrochimiche.

I nanocristalli di ossido di tungsteno rivestiti di rame assorbono la luce attraverso lo spettro, dall’ultravioletto alla luce visibile all’infrarosso; La quantità di luce infrarossa assorbita era maggiore con un drogaggio con rame dell’1%. I nanocristalli rivestiti con Cu all’1% e al 5% hanno mostrato il maggiore aumento di temperatura (proprietà fototermica); I cristalli rivestiti di rame all’1% hanno mostrato anche la massima efficienza di evaporazione dell’acqua, pari a circa 1,0 kg per metro quadrato all’ora. L’analisi strutturale dei nanocristalli rivestiti di rame all’1% ha indicato che gli ioni rame possono distorcere la struttura cristallina dell’ossido di tungsteno, determinando le proprietà di assorbimento della luce osservate.

Osservazioni conclusive

«Le nostre scoperte rappresentano un importante progresso nella progettazione di nanocristalli in grado di produrre e sfruttare completamente l’energia solare», conclude Watanabe. “Abbiamo dimostrato che il drogaggio del rame conferisce ai nanocristalli di acido di tungsteno una varietà di proprietà utilizzando appieno l’energia solare. Ciò fornisce un quadro per ulteriori ricerche in questo settore e per lo sviluppo di applicazioni.”

Riferimento: “Stadi ottici critici privi di difetti, sintonizzati per utilizzare appieno l’energia solare” di Milbert Jim, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang e Seiichi Watanabe, 29 luglio 2023, Materiale avanzato.
doi: 10.1002/adma.202305494

Questo lavoro è stato sostenuto dalla Società giapponese per la promozione della scienza (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Questo lavoro è stato realizzato in parte da un sistema informatico ad alta velocità presso l’Information Initiative Center dell’Università di Hokkaido. Questo lavoro è stato condotto presso l’Università di Hokkaido, con il supporto dell’Infrastruttura di ricerca avanzata per i materiali e le nanotecnologie del Giappone (ARIM) del Ministero dell’Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia (MEXT).

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