• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Heta elektroner värmer upp solenergiforskning

    Figuren i förgrunden visar nära-infraröda och bredbandiga ljuspulser (snörjiga linjer upptill) som träffar en silver nanokub som mäter 150 nanometer i kvadrat. Den nära-infraröda pulsen exciterar elektroner i nanostrukturen, medan bredbandspulsen övervakar deras optiska svar. En aluminiumoxiddistans skiljer nanokuben från en guldfilm med en tjocklek på 50 nanometer. Distansen är mellan 1 och 25 nanometer tjock. En vattenmolekyl, i jämförelse, är cirka 1,5 nanometer i diameter. Kredit:Matthew Sykes, Argonne National Laboratory, Shutterstock / Triff och Shutterstock / siro46

    Solenergi och förnybar energi blir varm, tack vare nanoforskare – de som arbetar med material som är mindre än ett mänskligt hårstrå – vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory som har upptäckt nya, bättre och snabbare sätt att omvandla energi från ljus till energiska elektroner. Deras innovativa metoder kan ge nya möjligheter och större effektivitet för tillämpningar för omvandling av solenergi.

    Argonne-forskare och deras medarbetare skapade hybrid nanomaterial - mätt i miljarddels meter - vid laboratoriets Center for Nanoscale Materials (CNM), en användaranläggning för DOE Office of Science, att utnyttja fotonernas fulla energi.

    Resultatet var energiskt, eller "hett, "elektroner, som bär samma mängd energi som en foton som träffar nanomaterialkomponenter. Dessa små dynamoer kan så småningom leda till stora framsteg inom fotokatalytisk vattenklyvning – där speciella material omvandlar solenergi till rent och förnybart vätebränsle – och solceller, som omvandlar solenergi till el.

    Forskargruppen fokuserade på metaller och metallnanostrukturer eftersom de absorberar mycket ljus, vilket är det första steget för att öka antalet energiska elektroner i ett upplyst material.

    "Du vill bevara all den energin i fotonen så mycket som möjligt, så vi fokuserar på vilken typ av nanostruktur du behöver för att göra många av dem, sa Gary Wiederrecht, medförfattare och senior vetenskapsman och gruppledare för gruppen Nanophotonics and Biofunctional Structures vid Argonnes CNM. "I större partiklar, du ser väldigt få av dessa energiska elektroner med energier nära fotonenergin. Så du behöver en mindre partikel."

    Forskarna simulerade materialet för att bestämma den strukturella geometrin och spektrala förhållanden som skulle skapa det största antalet heta elektroner. Den vinnande kombinationen:nanokuber i silver och guldfilmer åtskilda av distanser av aluminiumoxid. Kopplingen mellan silvernanokuberna och guldfilmen över distansskiktet ger en stor lokal förbättring av ljusintensiteten. Detta, i tur och ordning, tillåter den vinnande nanostrukturen att veva ut heta elektroner bättre än sina konkurrenter.

    "En av de viktigaste framstegen är vår förmåga att producera energiska elektroner över ett mycket brett spektralområde - från det ultravioletta genom det synliga och in i det nära infraröda, " sa Wiederrecht. Processer för att omvandla solljus till energiska elektroner fungerar vanligtvis inom mindre våglängdsband. "Det är mindre användbart för solenergimöjligheter än om du kunde skapa heta elektroner över ett mycket bredare spektralområde, " han sa.

    Teamets utmaning:I de flesta metaller, energi kan inte övergå från en nivå till en annan för att skapa högenergielektroner.

    "Du måste ändra riktningen för elektronrörelsen eller ändra deras rörelsemängd för att möjliggöra dessa övergångar, sa Matthew Sykes, en medförfattare och postdoktor vid Argonnes CNM.

    Teamet samlade in data med hjälp av ett toppmodernt instrument:CNM:s transientabsorptionsspektrometer. Med det, laget mätte förändringshastigheten i koncentrationen av heta elektroner och bestämde hur och när de förlorar energi. Data de samlade in skulle kunna göra det möjligt för forskare att upptäcka ledtrådar om hur man kan motverka förlusten eller hitta ett sätt att extrahera de heta elektronerna innan de förlorar energi. Data avslöjade också distinkta populationer av heta elektroner.

    "Vi ser flera, distinkta avklingningshastigheter som är våglängds- och geometrioberoende, " Sa Sykes. Nanomaterialet innehåller olika band av energi som påverkar sönderfallshastigheten för de heta elektronerna som rör sig inom dessa band. Forskningen visade vidare att nanomaterialen tillåter olika typer av heta elektroner att färdas i vissa riktningar.

    "Vi tror att dessa olika populationer av elektroner uppvisar olika livslängder, beroende på vilken riktning de färdas i materialet, " Sykes förklarade. "Tänk på det som att du kör en bil riktigt fort på motorvägen och du närmar dig trafiken. Om det är lätt trafik, du kommer inte att stöta på en annan bil på ett tag, så att du kan hålla en högre hastighet under en längre tid. I tät trafik, du kommer att behöva sakta ner snabbt. Det är olika trafik beroende på i vilken riktning elektronerna rör sig i metallen, och detta påverkar hur länge högenergielektronerna kommer att leva när de är exciterade."

    Detaljer om forskningen, som Argonne ledde tillsammans med forskare från Duke University, Ohio University och University of Electronic Science and Technology i Kina, dök upp den 17 oktober, 2017, upplagan av Naturkommunikation . Studien har titeln "Förbättrad generation och anisotropisk Coulomb-spridning av heta elektroner i en ultrabredbandig plasmonisk nanopatch-metayta."

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com