Vätgas, ett viktigt syntetiskt råmaterial, är redo att spela en nyckelroll inom teknik för förnybar energi; dock, dess meriter undergrävs eftersom det mesta för närvarande kommer från fossila bränslen, såsom naturgas. Ett KAUST-team har nu hittat en mer hållbar väg till produktion av vätebränsle med hjälp av kaotiska, ljusfångande material som efterliknar naturlig fotosyntetisk vattendelning.

De komplexa enzymerna inuti växter är opraktiska att tillverka, så forskare har utvecklat fotokatalysatorer som använder högenergi, heta elektroner för att klyva vattenmolekyler till väte och syrgas. Nyligen, nanostrukturerade metaller som omvandlar solelektroner till intensiva, vågliknande plasmonresonanser har väckt intresse för väteproduktion. Höghastighetsmetallplasmonerna hjälper till att överföra bärare till katalytiska platser innan de slappnar av och minskar den katalytiska effektiviteten.

Att få metallnanopartiklar att svara på hela bredbandsspektrumet av synligt ljus är utmanande. "Plasmoniska system har specifika geometrier som fångar ljus endast vid karakteristiska frekvenser, " förklarar Andrea Fratalocchi, som ledde forskningen. "Vissa metoder försöker kombinera flera nanostrukturer för att suga upp fler färger, men dessa absorptioner äger rum på olika rumsliga platser så att solens energi inte skördas särskilt effektivt."

Fratalocchi och hans team utarbetade en ny strategi med hjälp av metallnanostrukturer kända som epsilon-nära-noll (ENZ) metamaterial som växer slumpmässigt, fraktala nålar som liknar en liten tall. Inuti håligheterna som bildas av de utskjutande metallgrenarna, ljusets utbredning saktar ner till nästan stillastående. Detta gör det möjligt för ENZ-ämnet att pressa alla synliga ljusfärger till samma nanometerskala.

Dock, att optimera ENZ-materialet för vätgasgenerering visade sig vara en utdragen process på månader. Inte alla nålliknande strukturer fungerar på samma sätt, vilket innebar att teamet var tvungen att finjustera alla tillverkningsparametrar för att hitta rätt störning för effektiva reaktioner. Sedan, att välja halvledande titandioxid som substrat för att samla heta elektroner krävde kristaller med extremt hög renhet. Till sist, koncentrationen och positionen för platinananopartiklar som används för att katalytiskt splitta vattenmolekyler behövde kontrolleras exakt, avsättningar som är svåra med ENZ:s komplexa geometri.

Resultatet var värt uthålligheten:experiment avslöjade att ENZ-fotokatalysatorn använde bredbandsljus för att generera heta bärare inom ett smalt 10 nm gränssnittsområde för en total effektivitetsökning på 300 %.

"På grund av möjligheten att kontrollera deras absorption, ENZ nanostrukturer är idealiska kandidater för solenergiskörd, " säger Fratalocchi. "Vi konstruerade nyligen en industriell prototyp med imponerande effektivitet, vilket gör oss mycket optimistiska om den här teknikens framtida möjligheter."